Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД — винчестер). История развития накопителей на жестком магнитном диске

Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД — винчестер). История развития накопителей на жестком магнитном диске

— 1956 — продажа первого коммерческого жёсткого диска, IBM 350 RAMAC, 5 Мб. Он весил около тонны, занимал два ящика — каждый размером с большой холодильник, а общий объем памяти 50 вращавшихся в нем покрытых чистым железом тонких дисков диаметром с большую пиццу составлял 5 мегабайт

— 1980 — первый 5,25-дюймовый Winchester, Shugart ST-506, 5 Мб

— 1986— Стандарт SCSI

— 1991 — Максимальная ёмкость 100 Мб

— 1995 — Максимальная ёмкость 2 Гб

— 1997 — Максимальная ёмкость 10 Гб

— 1998 — Стандарты UDMA/33 и ATAPI

— 1999 — IBM выпускает Microdrive ёмкостью 170 и 340 Мб

— 2002 — Взят барьер адресного пространства выше 137 Гб (проблема 48-bit LBA)

— 2003 — Появление SATA

— 2005 — Максимальная ёмкость 500 Гб

— 2005 — Стандарт Serial ATA 3G

— 2005 — Появление SAS (Serial Attached SCSI)

— 2006 — Применение перпендикулярного метода записи в коммерческих накопителях

— 2006 — Появление «гибридных» жёстких дисков, содержащих дополнительный блок флэш-памяти

— 2007 — Hitachi представляет накопитель ёмкостью 1 Тб

— 2008 — WD VelociRaptor 300GB: самый быстрый HDD с интерфейсом SATA

— 2009 — Hitachi к 2009 году создаст HDD объемом 4 терабайта

Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках, жёсткий диск, хард, харддиск, HDD, HMDD или винче́стер, (англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD) — энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В некоторых НЖМД используется одна пластина, в других — несколько на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках 5-10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Ёмкость современных устройств достигает 1000 Гб. В отличие от принятой в информатике (случайно) системе приставок, обозначающих кратную 1024 величину, производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются кратные 1000 величины. Так, напр., «настоящая» ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 Гб», составляет 186,2 ГиБ. Кроме того, часть производителей указывают неформатированную ёмкость (вместе со служебной информацией), что делает ещё большим «зазор» между заявленными «200 Гб» и реальными 160 ГиБ.

Физический размер (форм-фактор) — почти все современные накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер либо 3,5, либо 2,5 дюйма. Последние чаще применяются в ноутбуках. Получили распространение форматы — 1,8 дюйма, 1,3 дюйма и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в формфакторе 5,25 дюймов.

Время произвольного доступа — от 3 до 15 мс, как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 мс), самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5).

Надёжность определяется как среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failures, MTBF). Технология SMART (S.M.A.R.T. (англ. Self Monitoring Analysing and Reporting Technology) — технология оценки состояния жёсткого диска встроенной аппаратурой самодиагностики, а также механизм предсказания времени выхода его из строя.)

Количество операций ввода-вывода в секунду — у современных дисков это около 50 оп./сек при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибеллах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.

Сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating) — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate):

· Внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с

· Внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с

Жёсткий диск состоит из следующих основных узлов: корпус из прочного сплава, собственно жесткие диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя и блок электроники.

Вопреки расхожему мнению, жесткие диски не герметичны, внутренняя полость жесткого диска сообщается с атмосферой через фильтр, способный задерживать очень мелкие (несколько мкм) частицы. Это необходимо для поддержания постоянного давления внутри диска при колебаниях температуры корпуса.

Пылинки, оказавшиеся при сборке в жёстком диске и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр — пылеуловитель.

В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управление шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала.

Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жесткого диска с остальной системой.

Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.

Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти позволяет увеличить скорость работы накопителя.

Интерфейс — набор, состоящий из линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил обмена. Современные накопители могут использовать интерфейсы АТА (AT Attachment, он же IDE — Integrated Drive Electronic, он же Parallel ATA), (EIDE), Serial; ATA, SCSI (Small Computer System Interface), SAS, FireWire, USB, SDIO и Fibre Channel.

Проблема увеличения объема диска

Для того, чтобы при сохранении физического размера диска (еще лучше — его уменьшения) на него записывать больше информации необходимо увеличивать плотность записи данных на диск.

С 1997 года в среднем производители жестких дисков увеличивали плотность записи вдвое каждый год.

До сих пор покрытие дисков состояло из сплава кобальта, платины, хрома и бора. Это ферромагнитный сплав, который состоит из частиц, способных под воздействием внешнего магнитного поля записывающей головки менять свои магнитные свойства, например, магнитные полюса. Для увеличения плотности записи эти частицы должны становиться мельче, а магнитный слой — тоньше. Но физическая природа этих частиц не позволяет уменьшать их размер бесконечно, т.к. на магнитные свойства малых частиц уже влияет не только магнитное поле, но и температура — при нагревании диска с него может теряться информация.

Эту проблему пытались решать двумя способами — создавали технологии обработки и улучшения качества сигнала, полученного магнитными головками и создавали сплавы более устойчивые к внешним воздействиям на частицы. Но такие сплавы требуют более мощные головки записи, что приводит к увеличению энергозатрат и нагреванию диска.

Объём жёсткого диска: как вычисляется свободное место

Сколько раз вы открывали новый компьютер, телефон или внешний жесткий диск и были шокированы, когда поняли, что в нем не так много места, как рекламируется? 512 Gb SSD на самом деле может содержать только 477 Gb или 64 Gb iPhone имеет только 56 Gb места для файлов.

1 ТБ имеет только 931 ГБ реальной емкости

Есть несколько причин, по которым размер памяти не совпадает с фактической емкостью, давайте выясним что происходит с нашими электронными носителями данных.

Предустановленная операционная система и приложения

Основная причина в том, что вы не можете использовать всю емкость жесткого диска, потому что когда вы его покупаете на нем уже есть данные. Съемные жесткие диски, такие как флэш-накопители или SD-карты, редко содержат данные, но это является основной причиной предустановленных программ у телефонов и компьютеров.

При покупке компьютера операционная система (например, Windows или macOS) занимает много места. На диске находятся защищенные файлы операционной системы необходимые для правильной работы компонентов устройства.

Например, в системе папка C: Windows имеет 25 Gb, что иногда составляет около 1/10 всего пространства на жестком диске.

Тем не менее, файл операционной системы не только занимает это место, он также включает в себя дополнительные приложения, которые вы скорее всего не сможете удалить. Он включает в себя все, от антивируса от Windows 10 до полезных интегрированных приложений MacOS, таких как GarageBand.

Хотя технически они не являются частью операционной системы, но идут с ней и, следовательно, занимают место. Вы можете удалить ненужные приложения, чтобы восстановить место на диске.

Как компьютер рассчитывает емкость хранилища

Несмотря на то, что предустановленные приложения занимают много места, главная причина того, что вы не получаете все необходимое хранилище, заключается в том, что ваш компьютер защищён от любителей всё удалять.

Компьютеры используют префиксы стандартных значений, в том числе килограммы на тысячи, мега на миллионы, гига на миллиарды, тера на триллионы и т. д.

Люди, включая производителей жестких дисков, используют десятичную систему, вычисляют числа с основанием 10. Поэтому, когда, скажем, 500 гигабайт, это означает 500 триллионов байтов.

Однако на компьютерах, использующих двоичную систему 2, все числа имеют только 1 и 0. Если неизвестно, ниже приведен список чисел от 1 до 10, записанный в двоичном виде:

1
10
11
100
101
110
111
1000
1001
1010
Как вы можете видеть, в двоичном виде 2 1 представляет десятичное значение 1, 2 2 равно 2, 2 3 равно 4, 2 4 равно 8 и т. Д. Каждая позиция новой цифры в двоичном виде увеличивает значение этого числа до степени два. 2 10 равняется 1 024.

Теперь мы знаем, что компьютеры используют 1024 вместо 1000 для определения этих общих префиксов. Для компьютеров 1 килобайт равен 1024 байта, а не 1000 байтов. Постепенно у нас собирается 1 мегабайт из 1024 килобайт и 1 гигабайт из 1024 мегабайт.

Итак, как это влияет при покупке внешнего SSD на 250 ГБ? Этот жесткий диск содержит 250 000 000 000 байтов, но компьютер не отображает это.

Мы можем разделить на 1024 три раза (один для преобразования байтов в килобайты, снова для преобразования килобайт в мегабайты и последний для преобразования мегабайтов в гигабайты), чтобы увидеть, сколько их на самом деле:

250 000 000 000 / (1 024 * 1024 * 1 024) = 232 830 643 653 байта или 232,83 ГБ

Возьмите жесткий диск на 250 ГБ в Windows для максимальной емкости 232 ГБ, точно так же, как рассчитано выше. Разница составляет 18 ГБ.

Чем больше жесткий диск, тем больше разница между измеренной емкостью и фактической емкостью. Например, на жестком диске объемом 1 ТБ (1000 ГБ) на компьютере имеется 931 ГБ.

Гигабайт и Гибибайт

Вы можете удивиться, почему есть разница. Почему производители жестких дисков не обеспечивают правильную емкость устройства? Да, технически они это делают.

Точная гига определяется как 1000, а гиби – 1024. Международная электротехническая комиссия объявила стандарт для измерения двоичных данных для устранения этой путаницы.

В то время как килобайт (КБ) равен 1000 байтов, 1 килобайт (КБ) равен 1024 байта. То же самое касается мебибайта (MiB), гибибайта (GiB), тебибайта (TiB) и т. Д.

По какой-то причине Windows использует неверный префикс ГБ, когда он фактически измеряется в гибибайтах. Операционные системы, такие как macOS, точно измеряют от 1 ГБ до 1 миллиарда байт. Следовательно, тот же жесткий диск на 250 ГБ подключен к Mac, на котором будет отображаться 250 ГБ памяти.

Дополнительные разделы диска

В дополнение к вышесказанному, еще одной потенциальной причиной уменьшения общего объема пространства, занимаемого диском, являются дополнительные разделы.

Вы можете разделить жесткие диски на разные логические части, называемые разделами. Раздел жесткого диска позволяет установить две разные операционные системы на один жесткий диск.

При покупке существующего компьютера производитель обычно включает в себя раздел восстановления на диске, содержащий данные, позволяющие перезагрузить систему в случае серьезной проблемы. Как и другие файлы, они занимают место на жестком диске. Но поскольку раздел восстановления обычно скрыт, вы не знаете, что он существует.

Чтобы просмотреть раздел на жестком диске в Windows, введите управление дисками в меню «Пуск» и нажмите « Создать и отформатировать разделы жесткого диска» . Вы увидите каждый жесткий диск в системе, а разделы занимают на нем место. Если вы видите метку Restore, Recovery или аналогичную, это раздел восстановления.

В большинстве случаев вы можете удалить этот раздел и освободить место для хранения. Однако лучше всего оставить его в покое, чтобы упростить восстановление системы, и это небольшое увеличение стоимости не стоит усилий по восстановлению системы вручную.

Скрытые функции также занимают место

Наконец, большинство операционных систем содержат функции, которые занимают место на диске, но не существуют в виде реальных файлов. Например, служба теневого копирования Windows используется для включения как предыдущих версий, так и восстановления системы.

Восстановление системы позволяет вам вернуться к более раннему времени, если система не работает должным образом, в то время как предыдущие версии хранят копию ваших личных файлов, чтобы вы могли отменить изменения. Конечно, обеим этим функциям нужно место для работы.

Чтобы просмотреть и изменить количество функций в зависимости от используемой службы теневого копирования, нажмите Win +, Pause чтобы быстро открыть панель управления системой . Отсюда, нажмите на Защита системы слева. В появившемся окне выберите жесткий диск из списка и выберите «Настроить» .

Вы увидите новое диалоговое окно, которое отключает полную защиту системы. Ниже вы увидите Текущее использование и сможете настроить максимальную емкость, используемую Windows. Около 10% это разумное число.

Эти факторы являются причиной заметного различия между фактическим пространством для хранения и рекламой. Хотя существуют некоторые другие небольшие факторы, такие как специальные блоки в SSD, это основные причины. Знание этого может гарантировать, что у вас всегда будет необходимый объем дискового пространства на вашем новом устройстве.

Тест по дисциплине Технические средства информатизации. Тема: «Устройства хранения информации»

В каком году А. Шугарт из компании IBM изобрел устройство хранения информации, известное как флоппи-диск?

Варианты ответов

• 1967
• 1968
• 1969
• 1975

Вопрос 2

Какой объем информации соответствует плотности записи информации QD на флоппи-диске размером 5,25''

Варианты ответов

• 720 Кбайт
• 1200 Кбайт
• 1,44 Мбайт
• 360 Кбайт

Вопрос 3

Какой объем информации соответствует плотности записи информации HD на флоппи-диске размером 3,5''

Варианты ответов

• 720 Кбайт
• 1440 Кбайт
• 1200 Кбайт
• 1024 Кбайт

Вопрос 4

Варианты ответов

• окошко, определяющее плотность записи (на другой стороне — переключатель защиты от записи)
• основа диска с отверстиями для приводящего механизма
• защитная шторка открытой области корпуса
• пластиковый корпус дискеты
• антифрикционная прокладка
• магнитный диск
• область записи (красным условно выделен один сектор одной дорожки)

Вопрос 5

Как расшифровывается аббревиатура CD-ROM?

Варианты ответов

• Compact Disc Read Only Memory
• Compact Disc Recordable On Memory
• Commodore Dynamic Recycled On Maintance
• Crystal Disc Rich Old Mountains

Вопрос 6

Кто разработал технологию лазерной записи информации на компакт-диски и в 1964 году был удостоен Нобелевской премии?

Варианты ответов

• Александр Прохоров
• Николай Басов
• Билли Джоэл
• Джон Скалли
• Джеймс Рассел

Вопрос 7

Сколько минут аудиозаписи вмещает стандартный компакт диск объемом 700 МБ?

Варианты ответов

• 70
• 80
• 84
• 74

Вопрос 8

Что означает надпись на компакт диске "16х", "48х"?

Варианты ответов

• количество циклов перезаписи компакт диска CD-R и CD-RW соответственно
• скорость чтения/записи CD кратна 150 Кб/с и равна 2400 и 7200 соответственно
• количество циклов перезаписи компакт диска CD-RW и CD-RW DL соответственно
• период дифракционной отражательной решетки CD и DVD в питах соответственно

Вопрос 9

Варианты ответов

• углубление, выдавленное в поликарбонатной основе
• шаг дорожек в спирали записанной информации
• лёгкие радиальные царапины
• разница фаз в половину длины волны между рассеянным и отражённы мсветом

Вопрос 10

Почему жесткие диски иногда называют – винчестер?

Варианты ответов

• конструкция жесткого диска разработана в 1973 г. в филиале фирмы IBM в г. Винчестер (Великобритания).
• первый жёсткий диск был разработан в компании IBM был разбит на 30 дорожек по 30 секторов каждая. Именно обозначение этого диска «30/30» дало повод называть его на сленге «Winchester» – аналогично известной модели американского ружья с маркировкой патронов «30/30»
• у первого накопителя, выпущенного в 1968 году, имелось максимальное значение скорости 3030 Об/мин, что было в полной мере созвучно с маркой популярного в то время ружья «30-30 Winchester»
• в 1973 году появился первый жёсткий диск от компании IBM, конструкция которого состояла из двух отдельных отсеков по 30 Мб, из-за чего диску дали кодовое название «30-30», что было в полной мере созвучно с маркой популярного в то время ружья «30-30 Winchester»

Вопрос 11

С чем связано ограничение максимальной емкости жестких дисков, скомпонованных до 1998 г., и имеющих емкость – до 8,4 Гб ?

Варианты ответов

• по стандарарту ATA определён интерфейс между контроллером и накопителем, а также принцип адресации CHS
• доступ операционной системы к накопителям в данном случае выполнялся посредством LBA-адресации
• проблемы с ограничением BIOS
• разрядность процессора и, как следствие, операционной системы

Вопрос 12

Чему равна максимальная скорость вращения шпинделя жесткого диска на данный момент?

Варианты ответов

• 3600 Об/мин
• 4500 Об/сек
• 7200 Об/мин
• 15000 Об/мин
• 5400 Об/мин

Вопрос 13

Установить верную последовательность подготовки жёсткого диска к работе

Варианты ответов

• подключить жёсткий диск при помощи шлейфов к материнской плате
• посмотреть в настройках BIOS, определилось ли новое оборудование
• в разделе администрирования дисков произвести инициализацию и создать загрузочную запись
• создать простой том и присвоить ему идентификатор (литеру)
• выполнить форматирование с выбором файловой системы
• выполнить проверку диска и таблицы размещения файлов средствами загрузчика операционной системы
• запустить службу S.M.A.R.T. для анализа жёсткого диска и установки параметров чтения/записи

Вопрос 14

Варианты ответов

• Герметично закрывающаяся крышка
• Прижимная шайба
• Алюминиевая пластина
• Шайба — прокладка между пластинами
• Подвес (актуатор) с головками чтения/записи данных
• Двигатель жёсткого диска
• Постоянный магнитный элемент
• Основа корпуса
• Изолирующая теплопроводная прокладка
• Плата управления — контроллер

Вопрос 15

Что означает аббревиатура USB?

Варианты ответов

• Universal Serial Bus
• Useless Serial Bus
• United Serial Bug

Вопрос 16

Сколько контактов имеет USB-флешка?

Варианты ответов

• 4 (2 проводника питания и 2 проводника данных)
• 5 (2 проводника питания, 2 проводника данных, заземление)
• 6 (2 проводника питания и 2 дуплексных проводника данных)
• 7 (2 проводника питания, 2 дуплексных проводника данных, заземление)

Вопрос 17

В каком году появился первый USB-флеш накопитель?

Варианты ответов

• 1999
• 2000
• 2001
• 2002

Вопрос 18

К основным недостаткам флеш накопителя можно отнести

Варианты ответов

• ограниченное число циклов записи/стирания
• ограниченный объем памяти
• чувствительность к радиации
• способствуют распространению вирусов

Вопрос 19

Какова средняя скорость вращения дискеты 3,5"?

Варианты ответов

• 200 об/мин
• 300 об/мин
• 400 об/мин
• 600 об/мин

Вопрос 20

Установить верную последовательность интерфейсов накопителей на жестких магнитных дисках в порядке появления

Варианты ответов

• IDE
• EIDE
• SCSI
• ATA
• SATA

Вопрос 21

Какой объем информации можно записать на DVD-5 и DVD-10?

Варианты ответов

• 4.7 Гб и 9.4 Гб данных соответственно
• 4.7 Гб и 17 Гб данных соответственно
• 8.5 Гб и 9.4 Гб данных соответственно
• 8.5 Гб и 17 Гб данных соответственно

Вопрос 22

Пространство поверхности пластин диска делится на концентрические кольцевые области —

Вопрос 23

Минимальная адресуемая единица хранения информации на дисковых запоминающих устройствах это .

Вопрос 24

Совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жёсткого диска это .

Вопрос 25

Чему равен максимальный размер файловой системы FAT32 в существующих 32-битных реализациях на жёстких дисках?

Варианты ответов

• 8 Тб
• 16 Тб
• 64 Тб
• 256 Тб

Вопрос 26

Ограничение схемы адресации CHS и параллельного интерфейса IDE приводит к общему ограничению объема информации на жёстком диске равном .

Варианты ответов

• 2 Гб
• 504 Мб
• 128 Мб
• 2.1 Г.б

Вопрос 27

Раздел жёсткого диска может быть .

Варианты ответов

• Первичным
• Дополнительным
• Корневым
• Расширенным

Вопрос 28

Системная утилита, служащая для управления разделами жёсткого диска, использует текстовый интерфейс пользователя — это.

Варианты ответов

• fdisk
• format
• S.M.A.R.T.
• BIOS

Вопрос 29

Какое устройство обладает наименьшей скоростью обмена информацией?

Варианты ответов

• дисковод для гибких дисков
• жесткий диск
• CD-ROM дисковод
• твердотельный накопитель

Вопрос 30

К устройствам внешней (энергонезависимой) памяти не относится .

Варианты ответов

• флэш-карты
• жесткие магнитные диски
• гибкие магнитные диски
• оперативная память

Вопрос 31

Запись и считывание данных в приводах для оптических дисков осуществляются с помощью.

Варианты ответов

• термоэлемента
• лазера
• магнитной головки
• сенсорного датчика

Вопрос 32

Внешняя память служит для .

Варианты ответов

• хранения информации внутри ПК
• хранения оперативной, часто изменяющейся информации в процессе решения задачи
• долговременного хранения информации независимо от того, работает ПК или нет
• обработки информации в данный момент времени

Вопрос 33

Информация хранится в памяти ПК .

Варианты ответов

• на языке высокого уровня (Бейсик, Паскаль и др.)
• в десятичной системе счисления
• в двоичном коде
• в текстовом виде

Вопрос 34

Укажите соответствие для всех 4 вариантов ответа:

Варианты ответов

• память человека
• записная книжка
• жесткий диск
• память человечества

Вопрос 35

Пакет магнитных дисков, надетых на общую ось это — .

Варианты ответов

• винчестер компьютера
• флеш-карта
• перфокарта
• CD-ROM

Вопрос 36

Что является оптическим носителем информации?

Варианты ответов

• Флеш-карта
• CD,DVD-диски
• Винчестер компьютера
• CD-ROM

Вопрос 37

В целях сохранения информации гибкие магнитные диски необходимо оберегать от .

Варианты ответов

• холода
• света
• перепадов атмосферного давления
• магнитных полей

Вопрос 38

Материальная среда, используемая для записи и хранения информации.

Варианты ответов

• Кэш
• Носитель
• Хранитель
• Держатель

Вопрос 39

Какой компьютерный носитель информации окончательно вышел из массового употребления?

Варианты ответов

• CD-диск
• DVD-диск
• Дискета
• Флешка

Вопрос 40

На ЭВМ первого поколения сменным носителем информации для устройст внешней памяти была .

Варианты ответов

• специальная бумага
• магнитная лента
• медная проволока
• нет правильного ответа

Вопрос 41

Компакт-диск, предназначенный для многократной записи новой информации называется .

Варианты ответов

• CD-ROM
• CD-RW
• DVD-ROM
• CD-R

Вопрос 42

Устройство, осуществляющее чтение и/или запись информации — это

Варианты ответов

• накопитель информации
• носитель информации

Вопрос 43

Устройство, на котором непосредственно записана (хранится) информация — это

Варианты ответов

• накопитель информации
• носитель информации

Вопрос 44

Накопители информации, которые могут находится в составе системного блока:

Логическая структура жестких дисков

Винчестеры, как и другие магнитные накопители с прямым доступом, имеют дорожковую организацию дисковой памяти. Это означает, что поверхность магнитных дисков разбивается на концентрические кольца разного диаметра – дорожки, начиная с внешнего края. Далее структуру информации на винчестере следует рассматривать отдельно с точки зрения физической и логической структур. Чаще всего путаница возникает при сравнении параметров, относящихся к различным структурам.

Физическая структура

С физической точки зрения обе поверхности всех магнитных дисков в массиве-пакете содержат дорожки. BIOS не определяет, к какому конкретно «блину» относится та или иная дорожка, поэтому все поверхности пронумерованы единой сквозной нумерацией. Каждой рабочей поверхности соответствует своя головка , по которым, собственно говоря, поверхности и нумеруются (параметр heads ). Физически максимально допустимое число головок за всю историю производства винчестеров было равно 11, но в современных накопителях более 6 головок не используется. В используемых ныне магнитных дисках число дорожек равно 80, а число дорожек жесткого диска достигает нескольких тысяч. Дорожки, как и головки, идентифицируются номером (внешняя дорожка и верхняя головка имеет нулевой номер). Количество дорожек на диске определяется поверхностной плотностью записи.

Дорожки, в свою очередь, разбиваются на сектора , являющие минимальными физическими элементами хранения и адресации данных. Чаще всего, сектора на каждой дорожке имеют фиксированный угловой размер, благодаря чему на всех дорожках располагается одинаковое количество секторов. Каждая дорожка дискеты 3,5” содержит 18 секторов. Жесткий диск имеет обычно от 17 до 63 секторов (так считает BIOS ). Реально же на дорожке современного накопителя содержится около 100 секторов, а максимальное их количество равно 256. Размер сектора определен в 512 байт. Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, а не с нуля, в отличие от головок и цилиндров.

Каждый сектор несет не только данные, но и служебную информацию. В начале каждого сектора записывается его заголовок ( prefix ), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце – заключение ( suffix ), в котором находится контрольная сумма ( checksum , CRC ), необходимая для проверки целостности данных. Заголовок сектора включает в себя идентификатор ( ID ) сектора, первую CRC (контрольная сумма) и интервал включения записи. Идентификатор содержит информацию о номере цилиндра, головки и сектора. Далее следует интервал включения записи, после которого следует 512 байт данных. За данными располагается вторая CRC и интервал между записями (секторами), необходимый для того, чтобы застраховать следующий сектор от записи на предыдущий. Это может произойти из-за неравномерной скорости вращения диска. Завершает сектор прединдексный интервал, который имеет размер от 693 байт, служит для компенсации неравномерности скорости вращения диска. Таким образом, размер сектора увеличивается до 571 байта, из которых 512 байт составляют данные.

Вся эта информация записывается на заводе при низкоуровневом ( LowLewel ) форматировании, используя специальные программные средства (например, Speed Store или Disk Manager ) или команды DOS . Кроме промежутков между секторами существуют еще и промежутки между самими дорожками. Префиксы, суффиксы и промежутки как раз и составляют то пространство диска, которое теряется при форматировании.

Сектора, находящие друг над другом в пакете дисков, на которые одновременно может быть спозиционирован пакет головок, называется цилиндром . В связи с тем, что накопитель имеет несколько дисков, расположен­ных друг под другом, разбиения дисков идентичны. Поэтому при рассмот­рении жестких дисков чаще говорят о цилиндрах, чем о дорожках.

Адресация дискового пространства в BIOS

Геометрия (ёмкостные параметры) жесткого диска описываются в BIOS следующей формулой:

Общий объем (байт) = C x H x S x 512 (байт),

где С — количество цилиндров; Н – количество головок; S — количество секторов.

Следовательно, вследствие физических ограничений накопителей, BIOS может адресовать («увидеть») накопитель максимальной ёмкостью 128 Гбайт:

65536 x 16 x 256 x 512 = 128 Гбайт.

Однако из-за ограничений работы контроллера винчестера и BIOS эта величина может быть существенно сокращена. Так, до 1995 года использовался стандартный CHS -режим (стандарт ATA -1), в котором физические параметры накопителя соответствовали логическим , передаваемым в BIOS . При стандартной CHS -адресации максимальное количество цилиндров равно 1024, головок — 16, что приводит к ограниче­нию максимальной емкости жесткого диска (504 Мбайт). Кроме того, BIOS «считает», что у любого накопителя на любой дорожке должно быть ровно 63 сектора.

Современные IDE -контроллеры (начиная со стандартом ATA -2, EIDE ) поддерживают универсальный режим транс­ляции, для которого главным параметром является общее количество секторов. В большинстве BIOS появилась функция « Autodetect », которая позволяет считывать и устанавливать паспортные параметры накопителя. При инициализации накопителю переда­ются два параметра: количество головок и секторов; затем накопитель под­страивает свою логическую структуру таким образом, чтобы общая емкость не изменилась, причем коррекция осуществляется за счет цилиндров.

Максимальная емкость накопителей АТА-2 значительно увеличена за счет раз­работки улучшенной BIOS ( Enhanced BIOS ), что позволило преодолеть барьер в 504 Мбайт емкости жесткого диска. Первая модификация стандарта ATA -2 с режимом передачи PIO 3 использовала режим адресации ECHS , благодаря которому в CMOS Setup была введена опция Large и ECHS. Их надо было использовать для дисков, количество цилиндров которых превышает 1024, но к которым нельзя было применить адресацию LBA . Пересчет происходил в 2 этапа: сначала контроллер считал общее количество цилиндров, затем делил его пополам и в два раза увеличивал количество головок. Этот метод позволил адресовать 3-4 Гбайт дискового пространства.

В дальнейшей модификации АТА-2 ( PIO 4,5) в 1996 году появилось использование логической адресации блоков. В этом режиме все секторы нумеруются без разделения по трем категориям (цилиндр, головка, сектор), и адресуются единым 28-битным кодом. С учетом ограничений BIOS (1024 цилиндра, 256 головок, 63 сектора на дорожке при пересчете) общая емкость жесткого диска достигает 8,4 Гбайт.

В 1998 году для BIOS материнских плат выпустили обновление, способное решить проблему «8 Гигабайт». Была изменена адресация к прерыванию Int 13h ( DOS ), чем удалось преодолеть барьер 1024 цилиндров. Теперь для физической адресации использовались все 28 бит:

· С – 16 бит (максимум 2 16 = 65536)

· H – 4 бита (максимум 2 4 = 16)

· S – 8 бит (максимум 2 8 = 255).

Таким образом, теперь в интерфейсе ATA -5 теоретически был доступен максимальный объем винчестеров. Но биосописатели в очередной раз ошиблись. Они не учли, что при стандартном пересчете LBA с 16-ю головками и 63-мя секторами у винчестеров объемом более 33,8 Гбайт цилиндров окажется больше 65536, и они не поместятся в 16 бит отведенные под цилиндры. Эта проблема была решена в 1999 году введением простого условия: если число секторов превышает 65536 x 16 x 63 = 66060288, то тогда количество секторов приравнивать к 255. Также для некоторых BIOS существовала ошибка определения винчестеров объемом больше 65 Гбайт, которая, как обычно, решалась обновлением прошивки.

В 2002 году были выпущены жесткие диски, объем которых превышает 137 Гбайт. За невозможностью использования старого алгоритма с 28-битным кодированием для протокола UltraDMA /133 была придумана 48-битная адресация секторов, и очередной барьер возникнет не скоро.

Логическая структура

Кроме того, что накопитель должен быть сконфигурирован в CMOS , его логическую структуру должна понимать операционная система. Для обращения к информации используется кластер ( allocation unit ) – минимальная логическая единица доступа к информации. Каждый кластер состоит из нескольких секторов (8 и более). Каждый кластер пронумерован и может быть либо свободен, либо монопольно занят для хранения определенного файла, даже если не все сектора внутри его заняты. Следовательно, даже файл размером несколько байт требует целого кластера. В результате, на каждом файле теряется около половины кластера. Чем больше размер кластера, тем больше потери. Использование кластеров позволяет ускорить работу, так количество кластеров существенно меньше количества секторов.

Нумерация кластеров не соответствует их порядковому расположению на дисках. При работе используется тот факт, что при записи данных используются все сектора, которые на данный момент находятся под всеми головками, таким образом, заполняется цилиндр. Прежде чем перейти к следующему цилиндру, заполняется текущий чтобы иметь возможность считывать как можно больше информации без перемещения головок.

Для DOS версии 3.0 и выше используется алгоритм следующего свободного кластера размещения файлов на диске. Кластеры устроены так, что каждый из них ссылается на последующий. При работе DOS ищет свободные кластеры не с начала диска, а с места последней записи на диск. DOS устанавливает указатель последнего записанного кластера и ищет свободные кластеры, пользуясь этим указателем. Указатель размещается в RAM и уничтожается при перезарузке. Если DOS дошла до конца диска, то указатель также удаляется, а поиск начинается с начала диска. Таким образом осуществляются операции файлами на диске.

Этот алгоритм позволяет восстанавливать удаленные файлы. При удалении файла в начало его первого кластера ставится знак «?», и все кластеры, связанные с данным считаются свободными. Указатель выставляется на следующий свободный кластер, запись продолжается в идущих далее свободных кластерах. Перезапись кластера, в котором произошло удаление, произойдет только когда указатель в новом цикле дойдет до данного кластера. Даже, если переписывается один файл поверх другого, то запись работает по такой же схеме. А для каждого нового файла используется первая свободная запись.

Файловые системы

Файловая система через использование кластеров позволяет осуществлять доступ к данным. Большинство файловых систем построено на основе таблицы размещения файлов ( file allocation table — FAT ). Наиболее распространены файловые системы FAT 12 (диски менее 16 Мбайт), FAT 16 (или просто FAT) и FAT 32.

FAT подразумевает наличие следующих структур (в порядке расположения их на диске):

· Загрузочные секторы главного и дополнительного разделов

· Загрузочный сектор логического диска

· Таблицы размещения файлов ( FAT )

· Цилиндр диагностических операций

1. Загрузочный сектор главного раздела – Master Boot Record ( MBR , Главная загрузочная запись) или Partition table ( PT , Таблица разделов) – является первым сектором на жестком диске (занимает один или более секторов). Но под этот раздел отдана целиком вся первая дорожка (цилиндр 0, головка 0, сектор 1). Он в себя включает Таблицу главного раздела, которая может содержать только четыре записи, так как больше не поместится в 512 байт. Корневой таблице разделов принадлежат адреса 01BEh-01FDh. Очевидно, что можно создать только 4 раздела, среди которых могут быть Первичные ( Primary ) и Дополнительные ( Extended ) разделы. Поэтому если на диске выделен Дополнительный раздел, то Первичных уже можно создать не более трех.

Первичный может иметь только один логический диск, в то время как количество логических в Дополнительном разделе не ограничено. Общее количество логических дисков (томов) не должно быть более 24 (для DOS ). В первом секторе Дополнительного раздела расположена его Таблица разделов с такой же структурой как и Корневая таблица разделов. В ней описываются адреса начала и конца первого логического диска в этом разделе и его файловая система, а также зоны, занимаемой остальными логическими дисками (если они есть). Все последующие разделы в Дополнительном разделе имеют аналогичную структуру.

MBR создается с помощью стандартной программы fdisk . Правда последняя накладывает некоторые ограничения: первичный раздел может быть создан только один.

Также в Главной загрузочной записи находится главный загрузочный код – небольшая программа, которая выполняется из BIOS . Она передает управление активному (загрузочному) разделу.

2. Загрузочная запись ( Boot Record ) занимает 32 первых сектора каждого логического диска (для первичного раздела – цилиндр 0, головка 1, сектор 1). Загрузочный сектор активного раздела получает управление от MBR . Он выполняет некоторые проверки и запускает с диска первый системный файл io . sys . Формирует загрузочная запись программой format . Напомню, что только Первичный раздел может быть активным. Загрузочная запись, как Корневая таблица разделов должны заканчиваться сигнатурой 55АА. По этой сигнатуре BIOS определяет, успешной ли была загрузка.

3. Таблица размещения файлов ( FAT ) – основная часть файловой системы, давшая ей название. Она представляет собой набор записей с номерами, соответствующих номерам всех кластеров на логическом диске. Каждому кластеру соответствует одно число. Для каждого кластера запись может иметь несколько стандартных значений: кластер свободен, кластер поврежден или кластер является последним кластером файла, или содержать ссылку на следующий кластер в цепочке, относящийся к тому же файлу. Получается, что в таблице хранится информация только о первом кластере цепочки кластеров одного файла.

Каждая ячейка FAT хранит значение длиной 12, 16 или 32 бита. Отсюда и пошли названия FAT 12, FAT 16 и FAT 32. Размер записей в таблице FAT определяет максимальный размер логического тома. Так как в FAT 16 запись представлялась 2-байтовым числом, то на логическом диске не могло быть более 65536 кластеров: 2 16 = 65536. В результате несложных вычислений мы находим, что вся таблица FAT помещается в 1 Мбайте. Этим и пользовались вирусы типа «Чернобыль». В связи этим FAT , начиная с DOS 4.0 ограничивала объем логического диска в 2 Гбайта (ра змер кластера составлял 32 Кбайта): 32 Кб х 65536 = 2 Гб.

Операционные системы Windows 95 OSR 2 и старшие поддерживают 32-разрядную FAT с размером кластера до 64 Кбайт. Таким образом, эта система поддерживает тома размером до 2 Тбайт. А применяется она в дисках объемом от 512 Мбайт.

Всего в каждом логическом диске существует 2 таблицы FAT , которые следуют друг за другом. При порче первого экземпляра, используется второй, путем корректировки первого. Но у этой системы защиты есть свои недостатки. Во-первых, вторая таблица используется только когда первая полностью испорчена . Во-вторых, вторая копия часто обновляется за счет первой, так что во второй также могут содержаться ошибки.

В зависимости от размера логического диска меняется и размер кластера. Для FAT 16 тома до 260 Мбайт используют кластеры размером 2 Кбайта, до 8 Гбайт – 32 Кбайта. Размеры кластеров и записей определяются при форматировании высоко уровня. Для FAT 32 зависимость размера кластера от размера тома приведена в таблице.