Устройства хранения данных (накопители информации) относятся к внешней памяти ПК - они позволяют сохранить информацию для последующего ее использования независимо от состояния (включен или выключен) компьютера.

Внешняя память принципиально отличается от внутренней (оперативной и постоянной) способом доступа процессора (программы, выполняемой) к этой памяти. Накопители оперируют не байтами или словами, как, например, оперативная память, а блоками информации. Эти блоки (часто их называют кластерами) обычно имеют фиксированный размер, кратный степени числа 2. Блок может быть переписан из внешней памяти во внутреннюю или назад только целиком, и для выполнения любой операции обмена с внешней памятью нужна специальная процедура. Процедуры обмена с устройствами внешней памяти привязаны к типу устройства, его контролеру и способа подключения устройства к системе (интерфейса).

По методу доступа к информации устройства внешней памяти разделяются на устройства с прямым (или непосредственным) и последовательным доступом. Традиционными устройствами с прямым доступом являются дисковые накопители, и часто понятие "диск" и "устройство внешней памяти прямого доступа" употребляют как синонимы. Так, например, виртуальный диск в ОЗУ и электронный диск на флеш - памяти не имеют никаких круглых, а тем более вращающихся деталей.

Традиционными устройствами с последовательным доступом являются накопители на магнитной ленте (стримеры). Здесь каждый блок информации тоже может иметь свой адрес, но для обращения к нему устройства хранения должен сначала найти некоторое маркер начало ленты (назад), после чего последовательным "холостым чтением" блоков подобраться к необходимому месту и только тогда делать именно операции обмена данными. Конечно, каждый раз возвращаться в начало ленты необязательно, однако необходимость последовательного сканирования блоков (вперед или назад) - неотъемлемое свойство устройств последовательного доступа. Однако стримеры продолжают применяться в связи с высокой надежностью хранения ими информации.

Устройства внешней памяти могут иметь переменные или фиксированные носители информации. Например, накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) используют сменные носители - дискеты, а носители накопителей на жестких магнитных дисках (НЖМД) - фиксированные.

2. Время доступа. Определяется как усредненный интервал от выдачи запроса на передачу блока данных до фактического начала передачи. Дисковые накопители имеют время доступа от единиц до сотен миллисекунд. Для электронных устройств внешней памяти этот параметр существенно меньше (доли миллисекунд или даже микросекунд), но сама запись или считывание информации может продолжаться существенно дольше, чем в дисковых накопителей.

CD-ROM - Compact Disc Read-Only Memory - память только для чтения компакт-диске. Запись информации производится на этапе заводского изготовления диска путем матричного копирования и потом она меняться не может.

- CD-R - CD-Recordable - компакт-диск, позволяющий запись. Выпускается промышленностью в виде пустой болванки со сформированными дорожками для записи. Позволяет проводить однократную запись на компьютере. После записи информация изменяться или дополняться не может.

- Входная (Lead In) - область в форме кольца, ближе к центру диска. Из этой области начинается чтение диска, где расположены: содержание диска (Volume Table of Contents - VTOC); адреса записей; число заголовков, суммарное время записи (объем данных), название диска (Disc Label).

- Описание формата записи диска: размер логического блока (обычно 2048 байт, но может быть 4096 байт, 8192 байт и более), количество блоков на диске; дата создания диска; дата окончания срока службы диска;

- Сектор содержите 3234 кодированных байтов: 2352 информационных байт и 882 байт для корректировки ошибок и управления. Такое количество избыточных байт для корректировки ошибок обеспечивает качественное чтение информации с вероятностью ошибки на бит, равной 10-10.

Раньше в ПК использовались НГМД с дисками диаметром 5,25 дюйма. Современные НГМД (FDD - Floppy Disk Drive) используют сменные носители - гибкие майлара диски с нанесенным на них магнитным покрытием диаметром 3,5 дюйма. Эти диски имеют две рабочие поверхности, на каждой из которых размещено 80 треков. Информационная емкость наиболее распространенных 3,5-дюймовых дискет составляет 1,44 Мбайт. Реже используются дискеты, имеющие информационную емкость 720 Кбайт или 2,88 Мбайт. Частота вращения диска в НГМД составляет 360 об / мин.

Головки НГМД индуктивные. Головка с нулевым номером располагается снизу диска, первая головка - сверху. Головки немного смещены относительно друг друга в радиальном направлении, так что "цилиндр" дискеты самом деле больше похож на конус. В нерабочем положении головки приподняты над поверхностью диска на несколько миллиметров, а в работе прижимаются к поверхности диска пружинами.

Контроллер гибких дисков (FDC) обычно размещается на системной плате компьютера. НГМД подключается к контроллеру через специальный стандартный интерфейс. Контроллер с интерфейсным кабелем позволяет подключать к ПК и адресовать два (реже четыре, при наличии двух интерфейсных кабелей) накопителя, при этом они будут иметь имена А: и В:. В настоящее время НГМД считаются морально устаревшими накопителями и постепенно вытесняются оптическими накопителями и flash - памятью.

НЖМД (HDD - Hard Disk Drive) является одним из основных компонентов любого современного компьютера, и, кроме того, одним из самых сложных и ненадежных его компонентов. Поэтому для правильной эксплуатации компьютера и уменьшения вероятности потерь важной информации необходимо четко представлять себе конструкцию, принципы функционирования и возможности современных НЖМД.

Конструктивно НЖМД состоит из двух основных частей - герметизированной блока (HDA) и платы электроники (PCB). В гермоблоке размещены все механические компоненты (пакет магнитных дисков, насаженный на шпиндель двигателя, магнитные головки с системой позиционирования) а также микросхема предварительного усилителя-коммутатора, обеспечивающего усиления сигнала с головок и переключение между ними. Механические компоненты гермоблока изображенные на рис. 2.

На плате электроники, которая размещается за пределами гермоблока, установлены микросхемы, управляющие механическими узлами, кодированием-декодированием данных и приемом-передачей информации через внешний интерфейс.

БМГ - блок магнитных головок; ШД - шпиндельный двигатель; ПП - предварительный усилитель; Кзч - коммутатор записи-чтения; КГ - кварцевый генератор; ПЗУ МП - постоянная память микропрограмм; МБ - менеджер буфера; БОЗП - буферная память (или кэш-память НЖМД).

Поверхность головки обычно керамическая. В процессе функционирования НЖМД головки «летят» над поверхностью дисков на расстоянии в десятые доли микрометра. Привод позиционирует блок головок, состоит из обмотки и постоянного магнита, аналогичный по устройству электродинамическом громкоговорителю, поэтому и получил название Voice Coil (звуковая катушка). С помощью «звуковой катушки», которая обеспечивает непрерывное, плавное перемещение головок, позиционирование выполняется точнее, чем с помощью шаговых двигателей, которые использовались в качестве позиционеров головок НЖМД ранее.

Исходное состояние любого ЖМД после его изготовления - это однородная магнитная поверхность, которую условно можно представить как неупорядоченную совокупность дибит - элементарных участков, которые могут, за счет остаточной намагниченности, сохранять один бит информации. Понятно, что для организации хранения информации, ее записи, поиска и чтения, необходимо эту совокупность каким-то образом упорядочить.

Прежде всего, группы дибит объединяются в «информационные кольца» - дорожки или треки (см. рис. 4). Уменьшение расстояния между дорожками увеличивает информационную емкость диска, но оно не может быть слишком малым, из-за наличия взаимного влияния друг на друга дибит, расположенных на соседних дорожках. Нумерация дорожек начинается с нуля, нулевая дорожка всегда расположена с внешней стороны диска.

Если накопитель имеет несколько рабочих поверхностей, (т.е. на шпинделе размещен пакет дисков, а у каждого диска могут использоваться обе поверхности), то совокупность всех дорожек с одинаковыми номерами называют цилиндром. Для каждой рабочей поверхности в накопителе есть своя головка, обеспечивающая запись и считывание информации.

Для обеспечения точного позиционирования БМГ на требуемую дорожку (цилиндр) на поверхность диска наносятся сервисные метки. Нанесение серворозмиткы выполняется только в заводских условиях и является базовым, наиболее низкоуровневым элементом форматирования ЖМД.

Вообще различают два типа форматирования магнитных дисков - физическое (или форматирование низкого уровня) и логическое (форматирование высокого уровня). Для жестких дисков, в отличие от гибких, существует и третий этап, выполняемый между физическим и логическим форматированием - разбиение диска на разделы.

Сектор обычно состоит заголовка (префикса), области данных и завершения (суффикса). Начало сектора определяется специальным байтом - адресным маркером (1). Далее следуют ячейки, содержащие адрес сектора в специальном формате CHS (2) и его контрольная сумма - для проверки целостности адреса (3). Данные пользователя размещаются в отдельной области (4), в которую при записи добавляется несколько десятков байт «избыточной» информации, предназначенной для коррекции ошибок чтения с помощью ECC-кода (5). Для проверки целостности данных пользователя также используется циклическая контрольная сумма (6). Для более надежного функционирования сектора при нестабильности скорости вращения диска в структуре сектора являются «пустые» области - «байта - пробелы» (7).

В процессе форматирования низкого уровня производится запись заголовков и завершений секторов, формируются интервалы между секторами и дорожками. Область данных каждого сектора заполняется произвольными (или специальными тестовыми) наборами данных с формированием соответствующих контрольных сумм, а также проверка читаемости каждого сектора путем сравнения (верификации) соответствия содержания области данных сектора и контрольной суммы. В случае выявления непоправимых ошибок считывания в заголовке сектора делается отметка о его дефектность.

Форматирование ЖМД низкого уровня в полном объеме может быть выполнено только заводских условиях, либо с помощью специальных сервисных программ, распространяемых фирмами-производителями для сервисных центров и ремонтных мастерских.

Разбивка диска на разделы позволяет совмещать на одном НЖМД несколько операционных систем, имеющих различные файловые системы. В таблице 2 приведен список файловых систем, которые используют наиболее распространенные дисковые операционные системы.

Различные файловые системы используют и разные методы распределения файлов по логическим элементам, называемые кластеров. Кластер - это единичный блок дисковой памяти, записывается или считывается как единое целое. Кластер состоит из одного или нескольких секторов (см. рис.6), чаще - с 2n секторов.

Создание разделов на диске выполняется с помощью программ FDISK (MS DOS, WINDOWS 9X), или DISKPART (WINDOWS XP). Следует помнить, что встроенные в операционные системы программы FDISK и DISKPART не позволяют изменять размеры уже существующих разделов - только создавать или удалять с уничтожением информации. Для управления разделами без уничтожения информации можно пользоваться, например, программой Partition Magic.

При форматировании высокого уровня операционная система создает логическую структуру диска, то есть структуры для работы файлами. Пространство раздела распределяется на кластеры, в каждом разделе (логический диск) записывается загрузочный сектор назад (Volume Boot Sector - VBS), две копии таблицы размещения файлов (FAT) и корневой каталог (Root Directory).

С помощью этих структур данных операционная система распределяет дисковое пространство, следит за расположением и целостностью файлов, а также «обходит» дефектные участки диска. Таким образом, логическое форматирование не уничтожает полностью информацию на диске, а только очищает содержание раздела и таблицы размещения файлов. Форматирование высокого уровня выполняется командой FORMAT (MS DOS), или аналогичными командами других операционных систем.

Современные технологии производства магнитных дисков не позволяют изготавливать их без дефектов поверхности. Крым того, в процессе эксплуатации происходит старение магнитного покрытия и износ механических частей НЖМД. Поэтому за последние 10 лет производители НЖМД предложили набор технологий, позволяющих не только «прятать» дефекты поверхности (bad-сектора), но и выполнять постоянный контроль (мониторинг) состояния определенных параметров НЖМД и даже предсказывать появление ошибок и некоторых повреждений накопителей.

Это, разумеется, существенно усложнило программную (логическую) организацию НЖМД. Во-первых, увеличилось количество служебных программ и информационных структур, необходимых для обеспечения функционирования диска. Помимо формата низкого уровня к служебной информации относятся серворозмитка, резидентные служебные микропрограммы (в том числе и тестируя), таблицы конфигурации и настройки НЖМЖ и прочее. Часть этих программ и структур записывается в ПЗУ НЖМД, часть - в специальную служебную область диска, обычно недоступна пользователю. Таким образом, возникла необходимость использования специального транслятора физического пространства ЖМД в логический - с целью «хранения» от пользователя некоторых специальных областей диска. Типичная организация логического пространства ЖМД изображена на

Рис. 6. Логический пространство - это, фактически, рабочая область диска, которая доступна пользователю. Кроме служебной и рабочей областей на диске всегда есть резервная область. Секторы резервной области предназначены для замены поврежденных секторов рабочей области.

При выполнении заводского тестирования нового НЖМЖ в служебной области диска создается таблица дефектов (Primary List или P-List), в которую записываются адреса дефектных секторов рабочей области. Затем, при выполнении форматирования низкого уровня, дефектные секторе игнорируются транслятором, то есть не получают логических адресов. В результате логическое адресное пространство секторов рабочей области оказывается непрерывным, а дефектные области поверхности - недоступными. Для выравнивания информационной емкости накопителя к стандартной, транслятор добавляет в рабочую область часть секторов резервной области. Поэтому все новые ЖМД имеют «бездефектную» поверхность и информационный объем, заявленный производителем.

Если дефектные сектора возникающих в процессе эксплуатации НЖМД, замена их производится аналогичным образом для большинства современных накопителей - автоматически. Но таки случаи регистрируются и считаются системой контроля SMART и с помощью специальных программ пользователь всегда имеет возможность получить информацию о реальном состоянии поверхности ЖМД.

Вообще, SMART (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) - это производственный стандарт, созданный в 1995 году, где описываются методы предсказания ошибок НЖМД. Если система SMART активизирована, она следит за несколькими (от 5-7 до десятков для различных моделей НЖМД) параметрам накопителя и, на основе тенденции их изменения, определяет вероятность существенных сбоев НЖМД в ближайшем будущем. Если эта вероятность высока, SMART генерирует отчет (предупреждение), который указывает пользователю на необходимость резервного копирования данных.

Для каждого параметра, который контролируется SMART, производителем устанавливается исходное значение («идеальное состояние» по данному параметру, зачастую используются значения 255 или 100 «условных единиц»). Это значение в процессе функционирования может постепенно уменьшаться под влиянием различных факторов. Второе значение каждого параметра устанавливается производителем и не может быть изменен - ​​это предельное, «хуже» значение. Достижение некоторым параметром предельного значения не означает немедленной «катастрофы» с потерей данных, но указывает на недопустимое снижение надежности НЖМД.

К сожалению, единого для всех накопителей набора параметров SMART не существует, количество параметров, их «идеальные» и предельные значения определяются фирмой - производителем и полной документации по этим вопросам, разумеется, также не существует. Но есть некоторый «базовый» набор, который поддерживается большинством производителей. Например:

Устройства хранения данных (накопители информации) относятся к внешней памяти ПК - они позволяют сохранить информацию для последующего ее использования независимо от состояния (включен или выключен) компьютера.

Внешняя память принципиально отличается от внутренней (оперативной и постоянной) способом доступа процессора (программы, выполняемой) к этой памяти. Накопители оперируют не байтами или словами, а блоками информации. Эти блоки (кластеры) обычно имеют фиксированный размер, кратный степени числа 2. Блок может быть переписан из внешней памяти во внутреннюю или назад только целиком, и для выполнения любой операции обмена с внешней памятью нужна специальная процедура (подпрограмма).

Для того чтобы магнитный диск можно было использовать для записи и считывания информации, он должен быть отформатирован. Процесс форматирования можно разделить на два этапа (уровня): низкоуровневое форматирование и форматирование высокого уровня.