авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

УДК 338.48(075.8)

ББК 681.3я73

У 91

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СЕРВИСА»

(ФГБОУ ВПО «ПВГУС»)

Рецензент д.т.н., проф. Шлегель О. А.

Кафедра «Прикладная математика и информатика»

Учебно-методический комплекс по дисциплине ОД.А.06 У 91 «Технические средства обработки, хранения информации и вы работки управляющих воздействий / сост. А. В. Шляпкин. – УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС Тольятти : Изд-во ПВГУС, 2013. – 92 с.

Для аспирантов специальности 05.13.05 «Элементы и уст по дисциплине ОД.А.06 «Технические средства обработки, ройства вычислительной техники и систем управления».

хранения информации и выработки управляющих воздействий»

для аспирантов специальности 05.13.05 «Элементы и устройства Учебно-методический комплекс по дисциплине разработан на осно вычислительной техники и систем управления» вании Федеральных государственных требований к структуре основной профессиональной образовательной программы послевузовского про фессионального образования (аспирантуры), утвержденных в 2011 г., и программы-минимум кандидатского экзамена по специальности 05.13. Одобрено «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управле Учебно-методическим ния», утвержденной в 2007 г.

Советом университета Основная задача дисциплины заключается в подготовке аспирантов специальности 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техни Научно-техническим ки и систем управления» к кандидатскому экзамену по специальности, а Советом университета также в формировании знаний в области технических средств приема, преобразования и передачи информации.

УДК 338.48(075.8) Составитель Шляпкин А. В. ББК 681.3я Тольятти © Шляпкин А. В., составление, © Поволжский государственный университет сервиса, Содержание 1.Рабочая учебная программа дисциплины.................................................................................... 1.1. Цель и задачи дисциплины........................................................................................................ 1.2. Компетенции аспиранта, формирующиеся в результате освоения дисциплины.

................ 1.3. Структура и объем дисциплины............................................................................................... 1.4. Распределение фонда времени по темам и видам занятий..................................................... 1.5. Требования к уровню освоения дисциплины и формы текущего,........................................ промежуточного и итогового контроля........................................................................................... 1.6. Содержание самостоятельной работы...................................................................................... 2. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ................................................................................... 2.1. Принципы функционирования, сравнительные характеристики и предпочтительные области применения устройств хранения информации (магнитные, оптические, магнитооптические, полупроводниковые)...................................................................................... 2.2. Цифровые средства обработки информации в системах управления. Формирующие, импульсные и генерирующие элементы (формирователи импульсов, триггерные схемы, регенеративные импульсные устройства, генераторы линейно изменяющегося напряжения и тока, синусоидальных колебаний, специальных функций)........................................................ 2.3. Типовые элементы вычислительной техники: логические элементы, дешифраторы, шифраторы, преобразователи кодов, сумматоры, триггеры, программируемые логические интегральные схемы........................................................................................................................ 2.4. Интегральные микросхемы запоминающих устройств (ПЗУ, ОЗУ, ППЗУ)...................... 2.5. Микропроцессорные средства обработки информации в системах управления............... 2.6. Системы автоматизации проектирования цифровых и аналоговых устройств................. 2.7. Тематика семинарских занятий............................................................................................... 3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ......................................... 3.1. Перечень основной и дополнительной литературы.............................................................. 3.2. Методические рекомендации преподавателю....................................................................... 3.3. Методические указания аспирантам по изучению дисциплины......................................... 3.4. Материально-техническое обеспечение дисциплины.......................................................... 3.5. Программное обеспечение использования современных информационно коммуникативных технологий....................................................................................................... 1.Рабочая учебная программа дисциплины 1.1. Цель и задачи дисциплины Целью изучения дисциплины «Технические средства обработки, хранения информации и выработки управляющих воздействий» является формирование у аспирантов системных знаний в области технических средств приема, преобразования и передачи измерительной и управляющей информации в элементах и устройствах вычислительной техники и систем управления.

Место дисциплины в учебном процессе: дисциплина «Технические средства обработки, хранения информации и выработки управляющих воздействий» относится к циклу обязательных дисциплин программы подготовки аспиранта по специальности 05.13. «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления».

Дисциплина «Технические средства обработки, хранения информации и выработки управляющих воздействий» является разделом программы-минимум кандидатского экзамена по специальности. В рамках данной дисциплины рассматриваются: устройства приема информации оптического излучения (инфракрасного, видимого, ультрафиолетового диапазонов;

многоэлементные фотоприемники, матрицы на приборах с зарядовой связью, вакуумные и газонаполненные фотоэлементы;

устройства ввода и вывода дискретных и число- импульсных сигналов;

устройства гальванической развязки;

аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, принципы построения, основные характеристики и параметры;

усилители: импульсные, широкополосные, операционные, резонансные, полосовые, селективные;

усилители постоянных сигналов;

устройства связи с объектом управления (УСО), основные типы УСО, принципы организации;

интерфейсы систем управления, классификация, основные характеристики интерфейсов;

системные (внутримашинные) интерфейсы;

интерфейсы персональных компьютеров;

приборные интерфейсы;

интерфейсы устройств ввода-вывода;

последовательные интерфейсы;

параллельные интерфейсы.

Основная задача дисциплины заключается в подготовке аспирантов специальности 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» к кандидатскому экзамену по специальности, а также в формировании знаний в области технических средств приема, преобразования и передачи информации и управляющей воздействий.

Дисциплина ««Технические средства обработки, хранения информации и выработки управляющих воздействий» основана на знании дисциплин: общая электротехника и электроника;

метрология, стандартизация и сертификация;

основы теории управления;

микропроцессорные системы;

информационная техника;

конструирование, проектирование и технология автоматических электронных и микроэлектронных систем физических установок и автоматизированных систем научных исследований;

технические средства автоматизации и управления;

схемотехника ЭВМ.

1.2. Компетенции аспиранта, формирующиеся в результате освоения дисциплины В результате освоения дисциплины аспирант должен:

• Знать: методы оптимизации и принятия проектных решений (ПК-1);

методы проектирования аппаратных и программных средств вычислительной техники и систем управления (ПК-4);

• Уметь: разрабатывать математические модели процессов и объектов, методы их исследования, выполнять их сравнительный анализ (ПК-1);

планировать, организовывать и проводить научные исследования (ПК-4);

• Владеть: методами научного поиска (ПК-1);

методиками сбора, переработки и представления научно-технических материалов по результатам исследований к опубликованию в печати, а также в виде обзоров, отчетов, докладов и лекций (ПК-4).

1.3. Структура и объем дисциплины Структура дисциплины. Распределение фонда времени по семестрам, неделям и видам занятий Общая трудоемкость дисциплины составляет 1 зачетных единицы, 36 часов.

№ Число Количество часов по плану Самост.

семе недель в работа стра семестре Лабораторн Часов всего ые работы проекты занятия Часов в Лекции неделю Практ.

Всего Курс.

4 10 36 8 10 - - 18 1, 1.4. Распределение фонда времени по темам и видам занятий Формы текущего Виды учебной работы, контроля включая успеваемости (по самостоятельную работу Неделя семестра неделям семестра) и трудоемкость семестр (в часах) Форма № Раздел дисциплины промежуточной Лабораторные Практические аттестации Лекции работы работы работа Сам.

(по семестрам) 1 Принципы функционирования, сравнительные характеристики и предпочтительные области применения 4 1 1 - - 3 Тест устройств хранения информации (магнитные, оптические, магнитооптические, полупроводниковые).

2. Цифровые средства обработки информации в системах управления.

Формирующие, импульсные и генерирующие элементы (формирователи импульсов, триггерные 4 2 1 - - 3 Тест схемы, регенеративные импульсные устройства, генераторы линейно изменяющегося напряжения и тока, синусоидальных колебаний, специальных функций).

3. Типовые элементы вычислительной техники:

логические элементы, дешифраторы, шифраторы, 4 3-4 1 - - 3 Тест преобразователи кодов, сумматоры, триггеры, программируемые логические интегральные схемы.

4. Интегральные микросхемы запоминающих устройств (ПЗУ, ОЗУ, ППЗУ). 4 5-6 1 - - 3 Тест Сравнительная оценка характеристик ОЗУ, СОЗУ, ДОЗУ, ППЗУ и др.

5. Микропроцессорные средства обработки информации в системах управления. Аппаратная реализация вычислительных алгоритмов в устройствах обработки сигналов, Тест, отчет по процессоры быстрого 4 7-8 2 - 6 3 практической преобразования Фурье.

работе Цифровые сигнальные процессоры.

Специализированные микропроцессорные контроллеры, программируемые компьютерные контроллеры.

6. Системы автоматизации проектирования цифровых и аналоговых устройств.

Типы систем автоматизации.

Моделирование Тест, отчет по 9 функциональное и 4 2 - 4 3 практической временное. работе Проектирование устройств на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС).

Итого 8 - 10 18 Зачет 1.5. Требования к уровню освоения дисциплины и формы текущего, промежуточного и итогового контроля Текущий и промежуточный контроль знаний осуществляется путем проведения тестирований, решения задач на практических занятиях и в ходе подготовки к ним. В связи с этим, для успешного освоения дисциплины аспирантам необходимо:

– регулярно посещать лекционные занятия;

– осуществлять регулярное и глубокое изучение лекционного материала, учебников, учебных пособий, научной литературы по дисциплине;

– активно работать на практических занятиях;

– выступать с сообщениями по самостоятельно изученному материалу;

– участвовать с докладами на научных конференциях.

Текущий контроль знаний осуществляется путем выставления балльных оценок за выполнение тех или иных видов учебной работы (отчет по практическим занятиям, прохождение тестирования и т. п.).

Итоговый контроль знаний по дисциплине проводится в форме письменного зачета.

Для подготовки зачету аспиранты используют приводимый ниже перечень вопросов, который полностью соответствует содержанию дисциплины. Вместе с тем, конкретная формулировка вопросов к зачету, не выходя за пределы изученных на аудиторных занятиях и в ходе самостоятельной работы, может отличаться от представленного перечня.

Примерный перечень вопросов для подготовки к зачету по дисциплине «Технические средства обработки, хранения информации и выработки управляющих воздействий»

1. Устройства приема информации оптического излучения (инфракрасного, видимого, ультрафиолетового диапазонов).

2. Многоэлементные фотоприемники, матрицы на приборах с зарядовой связью, вакуумные и газонаполненные фотоэлементы.

3. Устройства ввода и вывода дискретных и число-импульсных сигналов.

4. Устройства гальванической развязки.

5. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи.

6. Основные принципы построения аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей.

7. Основные характеристики и параметры аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей.

8. Усилители: импульсные, широкополосные, операционные, резонансные, полосовые, селективные. Основные характеристики и параметры 9. Усилители постоянных сигналов. Основные характеристики и параметры.

10. Особенности анализа и проектирования.

11. Устройства связи с объектом управления (УСО).

12. Основные типы УСО, принципы организации.

13. Интерфейсы систем управления.

14. Классификация, основные характеристики интерфейсов.

15. Системные (внутримашинные) интерфейсы.

16. Интерфейсы персональных компьютеров.

17. Приборные интерфейсы (IEEE 488, IEC 625.1).

18. Интерфейсы устройств ввода-вывода.

19. Последовательные интерфейсы: RS232C, ИРПС, I2C, USB, RS422, RS485.

20. Параллельные интерфейсы: Centronis, ИРПР, ИРПР-М, ЕРР/ЕСР.

По результатам изучения дисциплины выставляется оценка:

«зачтено» – аспирантам, владеющим знаниями по основным и дополнительным вопросам дисциплины, активно работающим на практических занятиях, выполняющим различные индивидуальные задания, в достаточной мере разбирающимся в знаниях, полученных в ходе самостоятельной работы (51 балл и выше);

«незачтено» – аспирантам, не посещающим аудиторные занятия без уважительной причины, не владеющим основными вопросами изучаемой дисциплины, выполняющим практические работы на низком уровне, слабо разбирающихся в вопросах, вынесенных на самостоятельное изучение (менее 50 баллов).

1.6. Содержание самостоятельной работы В разделе «Самостоятельная работа» раскрывается содержание каждого вида самостоятельной работы и указывается время, необходимое для его выполнения.

Распределение самостоятельной работы аспирантов по темам с указанием времени № Количество Наименование темы п/п часов 1 Принципы функционирования, сравнительные характеристики и предпочтительные области применения устройств хранения информации (магнитные, оптические, магнитооптические, полупроводниковые).

2 Цифровые средства обработки информации в системах управления. Формирующие, импульсные и генерирующие элементы (формирователи импульсов, триггерные схемы, регенеративные импульсные устройства, генераторы линейно изменяющегося напряжения и тока, синусоидальных колебаний, специальных функций).

3 Типовые элементы вычислительной техники: логические элементы, дешифраторы, шифраторы, преобразователи кодов, сумматоры, триггеры, программируемые логические интегральные схемы.

4 Сравнительная оценка характеристик ОЗУ, СОЗУ, ДОЗУ, ППЗУ и др. 5 Аппаратная реализация вычислительных алгоритмов в устройствах обработки сигналов, процессоры быстрого преобразования Фурье.

Цифровые сигнальные процессоры. Специализированные микропроцессорные контроллеры, программируемые компьютерные контроллеры.

6 Типы систем автоматизации. Моделирование функциональное и временное. Проектирование устройств на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС).

Итого Самостоятельная работа выполняется в течение отведенного на дисциплину времени и предусматривает самостоятельную проработку учебной и научной литературы по темам, а также изучение научных статей, опубликованных в периодической печати.

Часы, отведенные на самостоятельную работу аспирантов, представляют собой вид занятий, которые каждый аспирант организует и планирует сам. Прежде всего, следует обратить внимание на изучение литературы, рекомендуемой преподавателем. Поскольку соотношение аудиторной и самостоятельной нагрузки смещено в сторону самостоятельной работы аспиранта, самостоятельная работа должна быть организована преподавателем (аспирант всегда может получить консультацию преподавателя по трудным и проблемным вопросам в отведенные для консультаций дни) и затем осуществлен контроль за ее выполнением.

2. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ 2.1. Принципы функционирования, сравнительные характеристики и предпочтительные области применения устройств хранения информации (магнитные, оптические, магнитооптические, полупроводниковые).

Принцип работы магнитных запоминающих устройств основаны на способах хранения информации с использованием магнитных свойств материалов. Как правило, магнитные запоминающие устройства состоят из собственно устройств чтения/записи информации и магнитного носителя, на который, непосредственно, осуществляется запись и с которого считывается информация. Магнитные запоминающие устройства принято делить на виды в связи с исполнением, физико-техническими характеристиками носителя информации и т.д. Наиболее часто различают: дисковые и ленточные устройства. Общая технология магнитных запоминающих устройств состоит в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя и считывания информации, закодированной как области переменной намагниченности. Дисковые носители, как правило, намагничиваются вдоль концентрических полей – дорожек, расположенных по всей плоскости дискоидального вращающегося носителя. Запись производится в цифровом коде. Намагничивание достигается за счет создания переменного магнитного поля при помощи головок чтения/записи. Головки представляют собой два или более магнитных управляемых контура с сердечниками, на обмотки которых подается переменное напряжение. Изменение полярности напряжения вызывает изменение направления линий магнитной индукции магнитного поля и, при намагничивании носителя, означает смену значения бита информации с 1 на 0 или с 0 на 1.

Дисковые устройства делят на гибкие (Floppy Disk) и жесткие (Hard Disk) накопители и носители. Основным свойством дисковых магнитных устройств является запись информации на носитель на концентрические замкнутые дорожки с использованием физического и логического цифрового кодирования информации. Плоский дисковый носитель вращается в процессе чтения/записи, чем и обеспечивается обслуживание всей концентрической дорожки, чтение и запись осуществляется при помощи магнитных головок чтения/записи, которые позиционируют по радиусу носителя с одной дорожки на другую.

Дисковые устройства, как правило, используют метод записи называемый методом без возвращения к нулю с инверсией (Not Return Zero – NRZ). Запись по методу NRZ осуществляется путем изменения направления тока подмагничивания в обмотках головок чтения/записи, вызывающее обратное изменение полярности намагниченности сердечников магнитных головок и соответственно попеременное намагничивание участков носителя вдоль концентрических дорожек с течением времени и продвижением по окружности носителя. При этом, совершенно неважно, происходит ли перемена магнитного потока от положительного направления к отрицательному или обратно, важен только сам факт перемены полярности.

Для записи информации, как правило, используют различные методы кодирования информации, но все они предполагают использование в качестве информационного источника не само направление линий магнитной индукции элементарной намагниченной точки носителя, а изменение направления индукции в процессе продвижения по носителю вдоль концентрической дорожки с течением времени. Такой принцип требует жесткой синхронизации потока бит, что и достигается методами кодирования. Методы кодирования данных не влияют на перемены направления потока, а лишь задают последовательность их распределения во времени (способ синхронизации потока данных), так, чтобы, при считывании, эта последовательность могла быть преобразована к исходным данным.

Винчестер, или накопитель на жестких магнитных дисках, используется для длительного хранения больших объемов информации, которая сохраняется при выключении питания. Конструктивно винчестер — это прямоугольная коробочка, внутри которой постоянно вращаются на большой скорости алюминиевые или стеклянные диски с нанесенным на их поверхность магнитным слоем. Чтение и запись данных производится с помощью магнитных головок, которые парят на расстоянии долей микрона от поверхности магнитных дисков. Так как винчестер является, механическим устройством, то время доступа к информации на нем почти в тысячу раз больше, чем к ОЗУ. Стабилизируется угловая скорость, перемещение головок – тангенсальное.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома — магнитные диски. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 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.

Также, в отличие от гибкого диска, носитель информации обычно совмещают с накопителем, приводом и блоком электроники. Такие жёсткие диски часто используются в качестве несъёмного носителя информации.

Магнитное покрытие также имеет свои характеристики. Во-первых, это его площадь нанесения, которая несколько меньше, нежели весь диск. Использовать области у самых краев обычно чревато последствиями из-за особенностей технологии изготовления — не получается в этих областях нанести покрытие идеально. То же самое можно сказать и о центре. Соответственно, вся рабочая область заключена между двумя числами — минимальным и максимальным радиусом, первый из которых строго больше нуля, а второй — строго меньше радиуса самого диска. И вторым важнейшим параметром является плотность записи, т. е. величина, обратная площади, потребной на хранение единицы информации. На практике же этим значением пользуются не часто, оперируя величинами продольной и поперечной плотностей записи, что связано с механикой работы самого накопителя.

Несмотря на то что для хранения информации используется почти вся поверхность диска, в каждый момент времени мы можем работать лишь с небольшой ее частью (иначе не нужно было бы и с вращением огород городить). Для чтения или записи данных используется магнитная головка (по одной на каждую используемую сторону дисков в пакете), летящая над поверхностью диска на небольшой высоте. Соответственно, за один оборот диска под ней проходит целая концентрическая дорожка, а для доступа к соседним областям головку необходимо смещать к центру или в обратном направлении. Совокупность всех дорожек, расположенных на равном расстоянии от центра на разных дисках, кстати, именуется цилиндром. Каждая дорожка имеет отличную от нуля ширину, так что на диске помещается конечное их количество. Сколько? Зависит от ширины рабочего слоя (которая, в свою очередь, определяется в основном диаметром диска) и от поперечной плотности записи. Ну или наоборот: поперечная плотность записи — это показатель того, сколько дорожек мы можем разместить в одном дюйме при текущем уровне технологии производства дисков и головок. Обычно определяющим является второе — резкое увеличение поперечной плотности связано с внедрением новых технологий производства магнитных головок, позволяющих им оперировать с дорожками меньшей ширины.

Происходит такое, к сожалению, достаточно редко, зато сразу же существенно увеличивает емкость дисков.

Продольная же плотность записи показывает, сколько бит информации можно вместить на один дюйм длины окружности, которую собой представляет дорожка, рассматриваемая в качестве математической абстракции. Эта характеристика тоже зависит от уровня технологии производства дисков и головок, однако менее подвержена скачкообразным изменениям, поскольку при одной и той же технологии производства головок может быть увеличена за счет улучшения характеристик магнитного покрытия (либо переход на новую технологию, либо улучшение текущей). Правда, несмотря на то что продольная плотность измеряется в битах на дюйм, на самом деле с отдельными битами на дисках не работают — слишком уж мелкая величина. И с байтами, обычно, тоже. Разве что в очень-очень старых компьютерах емкость запоминающих устройств была столь небольшой, что процессору удавалось адресовать не только каждый байт оперативной памяти, но и каждый байт на магнитных барабанах (диски тогда еще не применялись), поэтому иерархическая система памяти не требовалась — она вся могла считаться оперативной.

Однако к моменту появления первых персональных компьютеров емкость дисковых накопителей стала уже слишком большой, чтобы адресовать напрямую каждый байт, так что они окончательно стали устройствами с так называемым блочным доступом: минимальной единицей информации, которую можно считать с диска или записать на него, является блок или сектор. Типичный его размер для IBM PC и последователей составляет, кстати, 512 байт.

Хотя изначально допустимы были и другие значения, но стандартными они не стали, так что масса программного обеспечения просто неспособна работать с секторами, отличными от указанного выше размера. Только сейчас некоторые производители жестких дисков начали применять увеличенные в восемь раз секторы (по 4К байт, соответственно), однако этот процесс находится лишь в начальной стадии.

В любом случае, на дорожке должно помещаться целое количество секторов. Причем крайне желательно, чтобы на соседних дорожках количество секторов было одинаковым. В случае дискет или первых винчестеров так и вовсе — считалось, что все дорожки содержат одинаковое количество секторов. Так что фактическая продольная плотность записи весьма быстро возрастала от окраин к центру, вместе с уменьшением длины дорожек. Причем максимальное ее значение ограничивалось технологией, так что, по сути, большая часть площади внешних дорожек расходовалась нерационально. Впрочем, пока дорожек было мало (на дискетах, например, их количество равно 40 или 80), с этим можно было мириться, а вот с ростом поперечной плотности записи такие потери становились все более и более существенными. Некоторое время с ними ничего не могли поделать, поскольку системное программное обеспечение было рассчитано на постоянное количество секторов на дорожке, однако по мере совершенствования дисковых интерфейсов и переноса большей части электроники непосредственно в накопитель реальную физическую структуру последнего от программ удалось спрятать.

Программы продолжали считать, что на диске количество секторов на дорожку является постоянной величиной, но на деле одинаковым оно осталось лишь в пределе ограниченной полосы из нескольких десятков дорожек, зато таковых зон стало несколько.

Конечно, определенные потери дискового пространства есть и при данном методе, поскольку реальная и технологическая плотности записи обязаны совпадать на внутренних дорожках каждой зоны, а на внешних первая быстро становится меньше второй, так что часть информации, которую физически можно было бы разместить на диске, просто «не помещается». Однако потери эти много меньше, чем при наличии всего одной зоны. Ну а по сложности реализации данный метод лишь немногим сложнее «однозонного» и куда проще подхода, при котором количество секторов было бы различным на всех дорожках.

К чему все это? К тому, что из-за блочной организации дискового пространства с точки зрения операционных систем и прочего программного обеспечения теоретическая продольная плотность записи (обычно указываемая для всего жесткого диска) на практике недостижима. Точнее, достижима она лишь для нескольких дорожек — внутренних в каждой зоне, а на внешних реальная плотность записи ниже теоретической. Впрочем, благодаря зонной организации, отличается она не так уж и сильно, так что для наших целей можно считать и продольную, и поперечную плотность записи постоянными характеристиками НЖМД. Но очень слабо зависящими от производителя — как мы увидим далее, для всех потребительских характеристик накопителя желательно, чтобы плотность записи (в обоих направлениях) была бы максимальной. Именно поэтому о плотности записи вспоминают лишь тогда, когда при смене линеек накопителей производителю удается ее увеличить. А искусственно ее занижать (по сравнению с технологически возможной) просто невыгодно.

Вот и не занижают.

Чему равна емкость НЖМД? Количеству жестких дисков (точнее, рабочих поверхностей — не у каждого диска используются обе стороны из-за ограничений по высоте накопителя, но нам сейчас это не совсем важно), умноженному на емкость каждого из них. А емкость одной рабочей поверхности (одной стороны диска) равна его площади, умноженной на плотность записи. Площадь же круга (опять же — мы помним, что у нас, скорее, кольцо, поскольку внутренние и внешние области не используются, однако их размеры обычно постоянны, так что можно и упростить картину для ясности) пропорциональна квадрату его диаметра. Таким образом, увеличивая диаметр дисков и их количество в пакете при сохранении плотности записи, мы очень быстро увеличиваем емкость накопителя, причем диаметр более важен: количество дисков дает лишь линейный рост емкости, а диаметр — квадратичный. А при равных количестве и диаметре дисков подобный же эффект дает увеличение плотности записи. В общем, для получения максимальной емкости увеличивать нужно все, кроме скорости вращения — она ни малейшего влияния не оказывает.

Почему мы ставим эту характеристику на второе место — выше производительности?

Мода сейчас такая — на энергоэффективность. Во-первых. Во-вторых же, в фаворе ныне и портативные компьютеры, которые по объемам продаж уже обогнали стационарных, а там экономия энергии не прихоть, а насущная необходимость — многие готовы ради лишнего часа автономной работы пожертвовать и половиной производительности.

Итак, что же влияет на потребление энергии? Очевидно, что плотность записи на нее не влияет. А вот все механические характеристики дисков влияют, причем отрицательным образом. Действительно — работа силы трения тем выше, чем выше скорость вращения, следовательно, низкооборотистые диски будут всегда экономичнее высокооборотистых.

Причем при одинаковой скорости вращения требуется тем более мощный электродвигатель, чем тяжелее пакет дисков. А последний тем тяжелее (при прочих равных), чем больше в нем дисков и чем больше их диаметр. Таким образом, для максимальной экономии энергии нужно уменьшать диаметр дисков, их количество и скорость их вращения.

Заметим, что выше описан, так сказать, экстенсивный (т. е. чисто количественный) способ экономии энергии. Кроме него есть и интенсивный — развивать технологии.

Например, если мы освоим новый материал для производства дисков, который позволит сделать их более легкими, то при том же диаметре и количестве дисков уменьшится масса всего пакета, а следовательно, и сила трения, и потребляемая на ее преодоление мощность.

Аналогичного эффекта можно добиться, применив улучшенные подшипники в системе подвеса дисков. Улучшение технологии магнитных головок позволяет им работать с меньшими областями намагничивания и обходиться в работе меньшими токами, а это тоже благотворно влияет на энергопотребление. В общем, есть масса безусловно полезных способов борьбы с излишним потреблением энергии, которыми пользуются все производители. Но очень часто бывает так, что все технологические ухищрения уже применены, а достигнутого уровня экономии все равно недостаточно. В этом случае не остается ничего иного, кроме как использовать экстенсивные методы.

Относительно производительности. Начнем с линейных операций, благо многие до сих пор считают скорость копирования файлов мерилом производительности винчестеров. В общем случае это абсолютно неправильно, хотя… если основная и единственная задача накопителя — служить хранилищем видеотеки, то, действительно, последовательные операции наиболее важны: мы работаем с большими файлами, причем читаем или записываем их исключительно последовательно от начала к концу.

Как рассчитать предельную скорость линейных операций? Очень просто — она тем выше, чем большее количество битов информации проходит мимо магнитной головки за единицу времени. Соответственно, очень важное значение имеет последовательная плотность записи — чем она выше, тем больше скорость. Вторым же компонентом в этом произведении является обычная «физическая» скорость движения диска относительно головки, разная для каждой дорожки, поскольку при постоянной угловой скорости вращения диска линейная зависит от радиуса дорожки. Именно поэтому получается такой любопытный эффект, что на внешних дорожках скорость последовательных чтения и записи намного выше, чем на внутренних. Благодаря ему нередко диски массовых серий умудряются на внешних дорожках обгонять своих высокопроизводительных собратьев того же поколения с большей скоростью вращения. А вот диски разных поколений практически всегда имеют разную скорость выполнения последовательных операций даже при одинаковых физических параметрах — плотность записи различается существенно.

В общем, подводя итоги, для увеличения скоростей линейных чтения и записи производителям необходимо увеличивать плотность записи, скорость вращения дисков и их диаметр (последнее никак не повлияет на внутренние дорожки, зато повысит скорость на внешних и, соответственно, увеличит ее и в среднем).

Что касается более актуальных ныне (из-за многозадачности современных операционных систем) операций со случайным доступом к дискам, то тут все гораздо сложнее, нежели с «прямолинейной» логикой линейных. Для начала разберемся, каков именно физический смысл времени доступа к информации, определяющего скорость выполнения случайных операций.

Итак, нам необходим определенный блок с данными (мы помним, что именно он является наименьшей единицей). Мы не можем просто взять его и получить (что легко делается в носителях на базе флэш-памяти — там по номеру блока нужный выдается сразу, где бы он ни располагался, что и обеспечивает этим накопителям превосходное время доступа как минимум на операциях чтения) — сначала нужно переместить головку на нужную дорожку, а потом дождаться прохождения под ней нужного сектора. Сумма же времени выполнения этих операций и будет давать нам время доступа.

С первым компонентом все достаточно просто: время, нужное на «попадание» на запрошенную дорожку, прямо пропорционально диаметру пластины. Некогда его «портила»

и поперечная плотность записи, поскольку применялись шаговые двигатели, способные за одну операцию сместить головку только на одну дорожку, однако те времена давно прошли.

Теперь — только диаметр, да и то косвенно: определенное время на перемещение головки действительно требуется, а в худшем случае ее придется «прогнать» по всему радиусу.

Однако сколько на диске дорожек — не слишком важно: внутренние схемы по номеру дорожки определяют примерное ее физическое местоположение и перемещают головку куда нужно (по крайней мере, пытаются), так что уже после первой же операции позиционирования в подборе нужного места участвует не более чем десяток дорожек, вне зависимости от их общего количества на диске.

Ладно — нужную дорожку мы нашли, теперь осталось дождаться нужного сектора.

Когда? Угадать сложно — в лучшем случае мы получим нужный нам блок данных сразу же после позиционирования, в худшем его придется ждать целый оборот диска (если он только что «проскочил»). Согласно законам статистики, из этого следует, что в среднем у нас на ожидание нужных данных будет требоваться пол-оборота диска. Из чего неумолимо следует, что чем выше скорость вращения диска, тем меньше время ожидания.

После того, как сектор окажется в нужном месте, его требуется прочитать или записать, так что теоретически на полную скорость выполнения случайных операций влияют и все те факторы, что важны для последовательных операций. Однако на самом деле ими вполне можно пренебречь — блоки данных настолько невелики, что само физическое их чтение занимает много меньше времени, чем позиционирование головки и ожидание. Таким образом, для получения минимального времени доступа к данным (и, следовательно, максимальной производительности на случайных операциях) необходимо уменьшать диаметр диска и увеличивать его скорость вращения.

Несложно заметить, что все требования к физическим параметрам жестких дисков весьма противоречивы — например, для увеличения скорости последовательных операций диаметр диска нужно увеличивать, а вот для лучшего поведения на случайных запросах требуется поступать в точности наоборот. Именно поэтому конструкторам постоянно приходится идти на компромиссы, а диски для разных сегментов рынка абсолютно разные.

Посмотрим — какие.

Диски массовых серий Требуется: высокая емкость при низкой стоимости.

Желательно: высокая производительность на линейных и случайных операциях.

Нежелательно: высокое энергопотребление.

Совокупность этих требований быстро позволяет понять, почему все диски массовых серий у разных производителей одинаковые. Действительно — для получения максимальной емкости и высокой производительности на последовательных операциях требуется увеличивать диаметр дисков, поэтому в этом классе он всегда максимальный и регулируется не особенностями технологии, а сторонними факторами. Например, долгие годы (да и сейчас пока еще) типичным диаметром пластин для массовых дисков было 3,5 дюйма, однако все больший рост популярности ноутбуков, возможно, приведет к существенному увеличению доли дисков на 2,5 дюйма, переориентации промышленности на них и «отмиранию» более крупных винчестеров (как это было в свое время с моделями на 5,25). Хотя производители будут сопротивляться этому всеми силами — недаром они иногда даже пытаются идти против течения с тем или иным успехом. Достаточно вспомнить серию Quantum Bigfoot:

пятидюймовые винчестеры, которые начали выпускаться уже во времена тотального господства меньших форм-факторов. Ну и что? Большой диаметр пластин помогал им иметь достаточную емкость даже при одном диске (что сильно упрощало и удешевляло механику) и неплохую скорость выполнения последовательных операций даже при низкой частоте вращения. Все испортили только медлительные случайные операции, из-за которых диски слабо годились для применения в компьютере в единственном числе. В общем, опередили они свое время — вот сейчас во времена массового использования видеотек на жестких дисках очень многие не отказались бы от пятидюймового монстрика терабайт эдак на 10 (что при нынешнем уровне технологий вполне достижимо для таких моделей), который будет использоваться как раз только для хранения и воспроизведения мультимедийных файлов (т. е. будет либо вторым в компьютере, либо вообще станет основой для стационарного ВЖД).

Почему производители не увеличивают количество дисков в этих моделях? На самом деле, увеличивают: несколько лет назад типичным было применение всего двух пластин, ныне же три-четыре для старших моделей в линейках — стандарт де-факто. Но слишком ускорять такой процесс не получается, поскольку, во-первых, ограничены внешние размеры, а во-вторых, многодисковые винчестеры требуют применения более сложной (и дорогой!) механики. По тем же причинам очень медленно растет со временем и «оборотистость» таких накопителей: дорого в производстве и не слишком-то нужно (на емкости не сказывается, а скорость последовательных операций лучше наращивать при помощи плотности записи). В общем, по всем этим причинам на сегодняшний день стандартным вариантом для массовых жестких дисков стал следующий: пластины диаметром 3,5 дюйма, общим количеством до четырех (пять в некоторых моделях одного производителя), вращающиеся со скоростью оборотов в минуту.

Высокоскоростные накопители Требуется: высокая скорость выполнения случайных операций.

Желательна: высокая производительность на линейных шаблонах.

Попробуем подняться классом выше — на уровень накопителей для рабочих станций и серверов. Здесь не нужна слишком уж высокая емкость отдельного диска — они все равно используются в составе массивов. Да и из двух видов производительности существенно более важны случайные модели доступа. Именно поэтому производители таких моделей практически всегда предлагают рынку высокооборотистые (частота вращения 10-15 тысяч оборотов в минуту) модели на пластинах уменьшенного диаметра (2,5-2,8 дюйма). Как мы уже писали выше, это приводит к тому, что по скорости выполнения последовательных операций они не сильно-то лучше представителей массовых серий, да еще и очень сильно отстают от них по емкости: пластины маленькие, и их меньше (иначе слишком уж растет сложность изготовления накопителя и его энергопотребление). Впрочем, при этом скоростные показатели даже на последовательных шаблонах «более равномерны», поскольку выше скорость на внутренних дорожках, ну а производительность на случайных операциях, естественно, существенно выше, чем у всех остальных семейств жестких дисков.

Энергоэффективные НЖМД Требуется: высокая емкость при низкой стоимости и энергопотреблении.

В последнее время направление «экологичных винчестеров» развивается бурными темпами. Во многом это связано с тем, что производительность не так уж и важна в ряде сфер. Особенно для некомпьютерного применения — в бытовом магнитофоне, к примеру, любая скорость будет избыточной, поскольку даже HD-поток исчисляется десятками мегабит, а даже самые древние винчестеры на последовательных операциях (случайных в таком устройстве не будет вовсе) способны на десятки мегабайт в секунду. Внешние жесткие диски до последнего времени были ограничены производительностью наиболее распространенного интерфейса USB 2.0, так что высокая скорость самому винчестеру тут тоже не нужна. Да и в компьютере вовсе не обязательно использовать диски с одинаковой скоростью — если винчестеров несколько, то часть из них, используемая преимущественно для хранения больших объемов данных, может быть медленнее «основного», на который установлена операционная система и прикладные программы. Но если скорость не важна, то на первое место начинают выходить уже такие параметры, как энергопотребление и шум, а уменьшить их, сохраняя емкость, можно простым снижением скорости вращения. Причем нельзя сказать, что производительность этих моделей так уж плоха — плотность-то записи растет постоянно (без этого увеличивать объем не получится), так что скорость выполнения линейных операций обычно несколько ниже, чем у массовых моделей того же поколения, но выше, чем у более ранних устройств (причины этого объяснены выше). В общем, в этот класс ныне попадают винчестеры с пластинами по 3,5 дюйма, но более низкой скоростью вращения, чем у типовых накопителей (7200 оборотов в минуту). Насколько более низкой?

Зависит от моделей. Обычно от 5000 до 5900 об/мин, хотя мы не удивимся, если через некоторое время скорость вращения продолжит снижаться и далее.

Мобильные винчестеры Требуется: компактность, низкое энергопотребление.

Желательна: высокая емкость.

Иногда потребление накопителей даже предыдущего класса оказывается слишком высоким, а в некоторых сферах их применение просто невозможно — например, в большинство ноутбуков винчестер на пластинах по 3,5 дюйма просто не поместится. Выход очевиден — нужно уменьшать диаметр пластин. Обычно это 2,5 дюйма, хотя бывает и меньше. От высокоскоростных же накопителей эти модели отличаются низкой скоростью вращения — максимум 7200 об/мин, а чаще 5400 или даже 4200 оборотов в минуту. Связано это не только с требованиями экономичности, но и с тем, что желательно получить максимально возможную емкость — так площадь пластины используется более полно, чем в моделях высокой производительности, в том числе и «неудобные» внутренние и самые дальние от центра дорожки. Но работают такие винчестеры медленно еще и по другой причине — приходится использовать и более компактную (а следовательно, и низкопроизводительную) механику магнитных головок. Все это приводит к тому, что даже самые быстрые ноутбучные модели медленнее не только массовых, но и энергоэффективных настольных винчестеров. Даже при большей скорости вращения и несмотря на уменьшенные пластины — головки приходится перемещать на меньшее расстояние, но и движутся они медленнее. Таким образом, топовый мобильный винчестер по скорости будет всегда проигрывать самому бюджетному «зеленому». А по емкости проиграет и массовому — ввиду жесткого ограничения на энергопотребление, в дисках с более высокой скоростью вращения приходится использовать меньшее количество пластин. Но этот самый уровень энергопотребления и в одном, и в другом случае просто недостижим для менее портативного класса винчестеров.

Интерфейс (англ. interface) — техническое средство взаимодействия 2-х разнородных устройств, что в случае с жёсткими дисками является совокупностью линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии (контроллеры интерфейсов), и правил (протокола) обмена. Современные серийно выпускаемые внутренние жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA, eSATA, SCSI, SAS, FireWire, SDIO и Fibre Channel.

Ёмкость (англ. capacity) — количество данных, которые могут храниться накопителем. С момента создания первых жёстких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их максимально возможная ёмкость непрерывно увеличивается. Ёмкость современных жёстких дисков (с форм-фактором 3, дюйма) на сентябрь 2011 года достигает 4000 Гб (4 терабайт) и близится к 5 Тб. В отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину (см.:

двоичные приставки), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2 ГиБ.

Физический размер (форм-фактор;

англ. dimension) — почти все накопители 2001— 2008 годов для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2, дюйма — под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах и ноутбуках. Также получили распространение форматы 1,8, 1,3, 1 и 0, дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.

Время произвольного доступа (англ. random access time) — среднее время, за которое винчестер выполняет операцию позиционирования головки чтения/записи на произвольный участок магнитного диска. Диапазон этого параметра — от 2,5 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают диски для серверов (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — это 3,7 мс), самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5 мс). Для сравнения, у SSD-накопителей этот параметр меньше 1 мс.

Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 5900, 7200 и 10 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции). Увеличению скорости вращения шпинделя в винчестерах для ноутбуков препятствует гироскопический эффект, влияние которого пренебрежимо мало в неподвижных компьютерах.

Надёжность (англ. reliability) — определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF). Также подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологию S.M.A.R.T.

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

Потребление энергии — важный фактор для мобильных устройств.

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) при последовательном доступе:

внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;

внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.

Объём буфера — буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных дисках он обычно варьируется от 8 до 64 Мб.

Гибкие магнитные диски предназначены для архивирования данных или переноса информации с компьютера на компьютер. Наиболее старым видом являются 3- и 5 дюймовые магнитные диски, которые могут хранить 1,44 и 1,2 Мбайт (другие варианты встречаются крайне редко). Усовершенствованные варианты гибких магнитных дисков могут иметь емкость от 2 до 256 Гбайт. Так как гибкие магнитные диски для считывания и записи информации требуют непосредственного контакта магнитной головки с поверхностью диска, то у них самое малое время доступа из всех применяемых сегодня накопителей информации.

Принцип работы: на поверхность диска наносятся ферромагнитные материалы (составы) – магнитотвердые материалы, т.е. материалы, которые способны сохранить поляризацию магнитных полей после снятия магнитного поля.


Вся поверхность диска покрыта «магнитными доменами».

При считывании в головке наводится магнитный поток, который, проходя через катушку, вырабатывает ЭДС (напряжение). Это напряжение далее преобразуется в логические единицы. ЭДС наибольшего уровня наводится в моменты изменения направления поляризации.

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) являются устройствами внешней памяти с произвольным доступом, обеспечивающими хранение информации 512 Кбайт на двух дисках с одиночной плотностью записи и 1024 Кбайт (только для модели ««Электроника ГМД-7012») с двойной плотностью записи. Для мини- и микроЭВМ семейства «Электроника» применяют НГМД «Электроника ГМД-70», «Электроника ГМД 7012» и МС42200.01 та базе PLx=45D. Основные технические характеристики перечисленных НГМД:

Конверт служит для предохранения от воздействия окружающей среды, а также для очистки поверхности диска при вращении. Для этого внутренняя поверхность конверта имеет специальное мягкое покрытие. При записи на диск с одиночной плотностью используется фазовая модуляция, а при записи с двойной плотностью — модифицированная фазовая модуляция. Перед записью информации диски предварительно должны быть форматированы на специальном накопителе, позволяющем производить эту операцию.

Информация записывается на одну сторону диска, которая содержит 77 дорожек, пронумерованных от 0 до 76 (0... 1148). Вторая сторона также может быть использована для записи информации, но при этом диск должен быть вставлен в накопитель другой стороной.

Каждая дорожка (рис. 2.3,а) содержит 26 секторов, пронумерованных от 1 до 26 (1... 328).

Сектор (рис. 2.3,6) в свою очередь состоит из зоны заголовка, зоны данных и зоны синхронизации. Адресный маркер и маркер данных указывают контроллеру НГМД на начало соответственно зоны заголовка и зоны данных. Емкость области хранения информации определяется способом записи Накопитель на гибких магнитных дисках состоит из двух механизмов накопителя, устройства считывания и записи, а также устройства управления (контроллера), осуществляющего управление механизмами накопителя согласно командам, поступающим от интерфейса НГМД. НГМД подключается к Каналу мини- или микроЭВМ с помощью интерфейсной платы. В НГМД типа PLx-45D интерфейсная плата и контроллер объединены.

Механизмы накопителя служат для загрузки их конвертом с магнитным диском и последующего подвода магнитной головки (для записи или воспроизведения) к любой из дорожек. Кинематическая схема одного механизма (они идентичны) НГМД «Электроника ГМД-7012» приведена на рис. 2.4. Конверт с гибким диском (1) вставляется в проем на лицевой панели (3) и фиксируется при опущенной ручке (4) стаканом (6), который плотно прижимает диск к шпинделю (7). Шпиндель приводится в движение посредством ременной передачи электродвигателем (5). Механизм перемещения магнитной головки включает шаговый двигатель (9), вал которого служит ходовым винтом, каретку (10) с установленной на ней магнитной головкой (2), ходовую гайку (11) и прижим (12). Магнитная головка имеет обмотки чтения-записи и туннельного стирания (ширина записывающей дорожки 0,5 мм).

Ходовая гайка преобразует вращательное движение шагового двигателя в поступательное движение каретки на выбранную дорожку. При включении электромагнита подвода (13) кронштейн (14) притягивается к якорю электромагнита и освобождает подпружиненный прижим, который обеспечивает необходимое давление гибкого диска к магнитной головке. В механизме установлены два датчика: датчик маркера начала (15) и датчик нулевой дорожки (16). Первый дорабатывает каждый раз, когда отверстие на вращающемся диске попадает в проем между светодиодом и фототранзистором. При этом формируется импульс маркера начала дорожки. Датчик нулевой дорожки информирует о том, что магнитная головка находится на нулевой дорожке и срабатывает, когда планка (8), установленная на каретке, перекрывает светодиод и фототранзистор.

Устройство считывания и записи служит для формирования тока записи, усиления и преобразования считанного сигнала, выделения данных и синхроимпульса, формирования признаков нулевой дорожки и начала дорожки, а также управляет шаговым двигателем и механизмом прижима головки.

Устройство управления (контроллер) представляет собой устройство микропрограммного управления с ПЗУ емкостью 2048 байт, реализовано на базе микропроцессорного набора К1804 (для НГМД «Электроника ГМД-7012» и PLx-45D) и К (для НГМД «Электроника ГМД-70»). Контроллер осуществляет связь НГМД с ЭВМ, управляет НГМД при выполнении команд, формирует контрольный код и проверяет достоверность данных по контрольному коду и обрабатывает ошибочные ситуации.

Контроллер содержит также буфер для хранения данных (128 (256) байт), считанных с диска или предназначенных для записи на диск.

НГМД и НЖМД являются средством хранения и переноса информации. Причем, НЖМД в последнее время используют как несъемное устройство, дополнение к ПК. Так, учитывая сравнительно небольшой объем ноутбуков, планшетов и нетбуков, жесткие диски являются отличным дополнением, хранящим файлы фото, видео и муз формата.

Магнитно-оптический диск - носитель информации, сочетающий свойства оптических и магнитных накопителей. В последнее время все более широкое признание получает магнитооптическая технология, которая использует магнитные и оптические механизмы записи и чтения;

все чаще магнитооптические накопители используются для хранения больших объемов информации. На сегодняшний день благодаря применению новых технических решений и последних технологий в магнитооптических системах ситуация с магнитооптическими накопителями полностью изменилась. Постоянное снижение цен на магнитооптические дисководы и улучшение технических характеристик позволит им в недалеком будущем полностью вытеснить с рынка стримеры, а постоянное увеличение емкости носителей и надежности хранения информации делает их работу в сетевых системах более эффективной по сравнению с накопителями типа CD-ROM. Запись на диск выполняется посредством последовательного нагревания ячейки диска лазером большой интенсивности до t=200 Со, в результате чего ячейка теряет заряд и последующего нанесения нового заряда при этой же температуре магнитной головкой. Считывание производится лазерным лучом меньшей интенсивности. Он направляется на ячейку и поляризуется имеющимся там зарядом (если таковой имеется), а считывающее устройство определяет является ли отраженный луч поляризованным.Не все магнитооптические диски могут быть перезаписываемыми;

существуют также диски с однократной записью CC WORM (Continuons Composite Write Once Read Many) и частичной записью P-ROM (Partial read-only memory).Несмотря на большую емкость магнитооптических дисков, они не могут заменить жесткие диски. Прежде всего это связано с низким быстродействием магнитооптических дисководов, а ведь этот параметр является одним из основных показателей для жестких дисков. Быстродействие магнитооптических дисководов существенно снижается при записи диска;

не спасает положение и технология кэширования записи. Как известно, запись на магнитооптический диск осуществляется за два прохода: при первом проходе данные стираются с диска, при втором - записываются. А если к тому же установить проверку данных при записи, то быстродействие снизится еще на 20-30%.

Если вам требуется средство для долговременного хранения данных, использование магнитных носителей, чувствительных к сотрясениям, магнитным и электрическим полям, не слишком надежное решение.

CD(Compact Disc)-оптический носитель информации в виде пластикового диска с отверстием в центре, процесс записи/считывания информации на/c который осуществляется при помощи лазера.CD становятся все более быстродействующими и дешёвыми. На диске CD промышленным способом записывается информация. Наибольшее распространение получили 5-дюймовые диски CD емкостью 670 Мбайт. По своим характеристикам они полностью идентичны обычным музыкальным компакт-дискам. Данные на диске записываются в виде спирали (в отличие от винчестера, данные на котором располагаются в виде концентрических окружностей). С точки зрения физики лазерный луч определяет цифровую последовательность единиц и нулей, записанных на CD, no форме микроскопических ямок (пит, pit) на его спирали. Сегодня, имея компьютер с записывающим дисководом CD, можно сделать диск менее чем за час.

DVD(Digital Versatile Disk, ранее Digital Video Disk), т. е. многоцелевой цифровой диск – тип компакт-дисков, хранящий от 4,7 до 17 Гбайт информации, что вполне достаточно для полнометражного фильма. Такой объем способен удовлетворить любого производителя компьютерных игр и энциклопедий, для выпуска которых обычно требовалось несколько CD-ROM, вызывая неудобства у пользователя.Спецификаций DVD-ROM рассматривает диски и технологию DVD в качестве средства хранения компьютерных данных, обладающего громадной емкостью. Спецификация DVD-Video, вокруг которой ломалось столько копий, предусматривает лишь запись полнометражных кинопрограмм с высоким качеством изображения, многоканальным звуком и интернациональными настройками.

Спецификация DVD-Audio рассматривает стандарт записи лишь звука, предполагая, правда, значительно более высокое качество, многоканальность и возможность поместить на том же диске не только 74 мин. музыки, но и разнообразную сопутствующую информацию.Становится ясным, что стремительное понижение цен на DVD-устройства может привести к вытеснению CD-приводов уже в ближайшее время даже при условии использования старых носителей. DVD по структуре данных бывают четырёх типов:


DVD-видео — содержат фильмы (видео и звук);

DVD-Audio — содержат аудиоданные высокого качества (гораздо выше, чем на аудио-компакт-дисках);

DVD-Data — содержат любые данные;

смешанное содержимое.

BD(Blu-ray - англ. blue ray — синий луч и disc — диск) — формат оптического носителя, используемый для записи и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости с повышенной плотностью. Стандарт Blu-ray был совместно разработан консорциумом BDA.В новой технологии появились кардинальные изменения в логической структуре диска, стоимости и других параметрах. Длина волны синего лазера укоротилась до 405 нм, что позволило позиционировать луч намного точнее, а следовательно, и размещать данные на диске с большей плотностью. Более короткая длина волны сине-фиолетового лазера позволяет хранить больше информации на 12 см дисках того же размера, что и у CD/DVD.BD является продуктом нового поколения, наиболее прогрессивным, отвечающим "требованиям нашего времени", чем CD и DVD.

Принцип работы полупроводниковой технологии основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области («кармане») полупроводниковой структуры.

Изменение заряда («запись» и «стирание») производится приложением между затвором и истоком большого потенциала, чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта тунеллирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора (эффект Hot carrier injection (англ.)).

Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет роль затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регистрируется цепями чтения.

Эта конструкция снабжается элементами, которые позволяют ей работать в большом массиве таких же ячеек.

Это название объединяет как различные устройства, предназначенные для долговременного хранения информации (постоянные запоминающие устройства, или ПЗУ), так и различные виды программируемой /перезаписываемой полупроводниковой памяти.

Последняя бывает как энергонезависимой, так и энергозависимой, и производится в различных вариантах (DRAM, SRAM, EPROM, флэш-память и т.д.).

Основными достоинствами полупроводниковой памяти являются малое, а для некоторых типов памяти и предельно малое время доступа к данным, миниатюрность микросхем памяти и небольшое энергопотребление. Немаловажным достоинством является и высокая устойчивость к воздействию внешних факторов: полупроводниковые микросхемы памяти практически не подвержены износу, поскольку не содержат движущихся частей, и могут выдерживать значительные ускорения и вибрации без потери работоспособности.

Основным нее достатком подобных устройств является относительно высокая удельная стоимость сохраняемой информации.

Изоляция кармана неидеальна, заряд постепенно изменяется. Рекомендуемый максимальный срок хранения заряда, заявляемый большинством производителей для бытовых изделий — 10-20 лет.

Специфические внешние условия могут катастрофически сократить срок хранения данных. Например, повышенные температуры или радиационное облучение (гамма-радиация и частицы высоких энергий).

При чтении данных со страницы возможно повреждение данных на соседних страницах в пределах блока. Осуществление большого числа (сотни тысяч или миллионы) операций чтения над индивидуальными страницами блока, до вызова операции стирания, может обострить возникновение ошибки Read Disturb.

Поскольку память с такой организацией считается первой представительницей семейства Flash, с нее и начнем. Схема логического элемента, собственно давшего ей название (NOR — Not OR — в булевой математике обозначает отрицание «ИЛИ»), приведена на рисунке.

С помощью нее осуществляется преобразование входных напряжений в выходные, соответствующие «0» и «1». Они необходимы, потому что для чтения/записи данных в ячейке памяти используются различные напряжения. Схема ячейки приведена на рисунке ниже.

Она характерна для большинства флэш-чипов и представляет из себя транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим (control) и плавающим (floating).

Важной особенностью последнего является способность удерживать электроны, то есть заряд. Также в ячейке имеются так называемые «сток» и «исток». При программировании между ними, вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал — поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря наличию большей энергии, преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, — нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтению данных из ячейки. Хочу также обратить ваше внимание на то, что в структуре флэш-памяти для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор), в то время как в энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор.

Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а, следовательно, и снизить себестоимость. Но и один бит далеко не предел: Intel уже выпускает память StrataFlash, каждая ячейка которой может хранить по бита информации. Кроме того, существуют пробные образцы, с 4-х и даже 9-и битными ячейками! В такой памяти используются технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что заряд их делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация бит.

Теоретически прочитать/записать можно и более 4-х бит, однако, на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении. Вообще, у существующих сегодня микросхем памяти для ячеек характерно время хранения информации, измеряемое годами и число циклов чтения/записи — от 100 тысяч до нескольких миллионов. Из недостатков, в частности, у флэш-памяти с архитектурой NOR стоит отметить плохую масштабируемость: нельзя уменьшать площадь чипов путем уменьшения размеров транзисторов. Эта ситуация связана со способом организации матрицы ячеек: в NOR архитектуре к каждому транзистору надо подвести индивидуальный контакт.

Гораздо лучше в этом плане обстоят дела у флэш-памяти с архитектурой NAND.

NAND NAND — Not AND — в той же булевой математике обозначает отрицание «И». Отличается такая память от предыдущей разве что логической схемой.

Устройство и принцип работы ячеек у нее такой же, как и у NOR. Хотя, кроме логики, все-таки есть еще одно важное отличие — архитектура размещения ячеек и их контактов. В отличие от вышеописанного случая, здесь имеется контактная матрица, в пересечениях строк и столбцов которой располагаются транзисторы. Это сравнимо с пассивной матрицей в дисплеях :) (а NOR — с активной TFT). В случае с памятью такая организация несколько лучше — площадь микросхемы можно значительно уменьшить за счет размеров ячеек. Недостатки (куда уж без них) заключаются в более низкой по сравнению с NOR скорости работы в операциях побайтового произвольного доступа.

Существуют еще и такие архитектуры как: DiNOR (Mitsubishi), superAND (Hitachi) и пр. Принципиально нового ничего они не представляют, а лишь комбинируют лучшие свойства NAND и NOR.

И все же, как бы там ни было, NOR и NAND на сегодняшний день выпускаются на равных и практически не конкурируют между собой, потому как в силу своих качеств находят применение в разных областях хранения данных. Об этом и пойдет далее речь… Сфера применения какого-либо типа флэш-памяти зависит в первую очередь от его скоростных показателей и надежности хранения информации. Адресное пространство NOR памяти позволяет работать с отдельными байтами или словами (2 байта). В NAND ячейки группируются в небольшие блоки (по аналогии с кластером жесткого диска). Из этого следует, что при последовательном чтении и записи преимущество по скорости будет у NAND. Однако с другой стороны NAND значительно проигрывает в операциях с произвольным доступом и не позволяет напрямую работать с байтами информации. К примеру, для изменения одного байта требуется:

считать в буфер блок информации, в котором он находится в буфере изменить нужный байт записать блок с измененным байтом обратно Если еще ко времени выполнения перечисленных операций прибавить задержки на выборку блока и на доступ, то получим отнюдь неконкурентоспособные с NOR показатели (отмечу, что именно для случая побайтовой записи). Другое дело последовательная запись/чтение — здесь NAND наоборот показывает значительно более высокие скоростные характеристики. Поэтому, а также из-за возможностей увеличения объема памяти без увеличения размеров микросхемы, NAND-флэш нашел применение в качестве хранителя больших объемов информации и для ее переноса. Наиболее распространенные сейчас устройства, основанные на этом типе памяти, это флэшдрайвы и карты памяти. Что касается NOR-флэша, то чипы с такой организацией используются в качестве хранителей программного кода (BIOS, RAM карманных компьютеров, мобильных и т.п.), иногда реализовываются в виде интегрированных решений (ОЗУ, ПЗУ и процессор на одной мини плате, а то и в одном чипе). Удачный пример такого использования — проект Gumstix:

одноплатный компьютер размером с пластинку жвачки. Именно NOR-чипы обеспечивают требуемый для таких случаев уровень надежности хранения информации и более гибкие возможности по работе с ней. Объем NOR-флэш обычно измеряется единицами мегабайт и редко переваливает за десятки.

Безусловно, флэш — перспективная технология. Однако, несмотря на высокие темпы роста объемов производства, устройства хранения данных, основанные на ней, еще достаточно дороги, чтобы конкурировать с жесткими дисками для настольных систем или ноутбуков. В основном, сейчас сфера господства флэш-памяти ограничивается мобильными устройствами. Как вы понимаете, этот сегмент информационных технологий не так уж и мал. Кроме того, со слов производителей, на нем экспансия флэш не остановится. Итак, какие же основные тенденции развития имеют место в этой области.

Во-первых, как уже упоминалось выше, большое внимание уделяется интегрированным решениям. Причем проекты вроде Gumstix лишь промежуточные этапы на пути к реализации всех функций в одной микросхеме.

Пока что, так называемые on-chip (single-chip) системы представляют собой комбинации в одном чипе флэш-памяти с контроллером, процессором, SDRAM или же со специальным ПО. Так, например, Intel StrataFlash в сочетании с ПО Persistent Storage Manager (PSM) дает возможность использовать объем памяти одновременно как для хранения данных, так и для выполнения программного кода. PSM по сути дела является файловой системой, поддерживающейся ОС Windows CE 2.1 и выше. Все это направлено на снижение количества компонентов и уменьшение габаритов мобильных устройств с увеличением их функциональности и производительности. Не менее интересна и актуальна разработка компании Renesas — флэш-память типа superAND с встроенными функциями управления.

До этого момента они реализовывались отдельно в контроллере, а теперь интегрированы прямо в чип. Это функции контроля бэд-секторов, коррекции ошибок (ECC — error check and correct), равномерности износа ячеек (wear leveling). Поскольку в тех или иных вариациях они присутствуют в большинстве других брендовых прошивок внешних контроллеров, давайте вкратце их рассмотрим. Начнем с бэд-секторов. Да, во флэш-памяти они тоже встречаются: уже с конвейера сходят чипы, имеющие в среднем до 2% нерабочих ячеек — это обычная технологическая норма. Но со временем их количество может увеличиваться (окружающую среду в этом винить особо не стоит — электромагнитное, физическое (тряска и т.п.) влияние флэш-чипу не страшно). Поэтому, как и в жестких дисках, во флэш-памяти предусмотрен резервный объем. Если появляется плохой сектор, функция контроля подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области.

Собственно, выявлением бэдов занимается алгоритм ECC – он сравнивает записываемую информацию с реально записанной. Также в связи с ограниченным ресурсом ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чтения/записи для каждой) важно наличие функции учета равномерности износа. Приведу такой редкий, но встречающийся случай:

брелок с 32 Мбайт, из которых 30 Мбайт заняты, а на свободное место постоянно что-то записывается и удаляется. Получается, что одни ячейки простаивают, а другие интенсивно исчерпывают свой ресурс. Чтобы такого не было, в фирменных устройствах свободное пространство условно разбивается на участки, для каждого из которых осуществляется контроль и учет количества операций записи.

Еще более сложные конфигурации класса «все-в-одном» сейчас широко представлены такими компаниями как, например, Intel, Samsung, Hitachi и др. Их изделия представляют собой многофункциональные устройства, реализованные в одной лишь микросхеме (стандартно в ней имеется процессор, флэш-память и SDRAM). Ориентированы они на применение в мобильных устройствах, где важна высокая производительность при минимальных размерах и низком энергопотреблении. К таким относятся: PDA, смартфоны, телефоны для сетей 3G. Приведу пример подобных разработок — чип от Samsung, объединяющий в себе ARM-процессор (203 МГц), 256 Мбайт NAND памяти и 256 SDRAM.

Он совместим с распространенными ОС: Windows CE, Palm OS, Symbian, Linux и имеет поддержку USB. Таким образом на его основе возможно создание многофункциональных мобильных устройств с низким энергопотреблением, способных работать с видео, звуком, голосом и прочими ресурсоемкими приложениями.

Другим направлением совершенствования флэш является уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия памяти. В большей степени это касается микросхем с NOR архитектурой, поскольку с развитием мобильных компьютеров, поддерживающих работу в беспроводных сетях, именно NOR-флэш, благодаря небольшим размерам и малому энергопотреблению, станет универсальным решением для хранения и выполнения программного кода. В скором времени в серийное производство будут запущены 512 Мбит чипы NOR той же Renesas.

Напряжение питания их составит 3.3 В (напомню, хранить информацию они могут и без подачи тока), а скорость в операциях записи — 4 Мбайт/сек. В то же время Intel уже представляет свою разработку StrataFlash Wireless Memory System (LV18/LV30) – универсальную систему флэш-памяти для беспроводных технологий. Объем ее памяти может достигать 1 Гбит, а рабочее напряжение равно 1.8 В. Технология изготовления чипов – 0.13 нм, в планах переход на 0.09 нм техпроцесс. Среди инноваций данной компании также стоит отметить организацию пакетного режима работы с NOR-памятью. Он позволяет считывать информацию не по одному байту, а блоками — по 16 байт: с использованием МГц шины данных скорость обмена информацией с процессором достигает 92 Мбит/с Литература 1,2, 2.2. Цифровые средства обработки информации в системах управления. Формирующие, импульсные и генерирующие элементы (формирователи импульсов, триггерные схемы, регенеративные импульсные устройства, генераторы линейно изменяющегося напряжения и тока, синусоидальных колебаний, специальных функций).

Многие задачи требуют формирования таких сложных законов управления объектами, которые не могут быть реализованы традиционными элементами и устройствами автоматики. Так, например, в системах управления движущимися объектами требуются сложные вычисления с преобразованием координат, решением прямоугольных и сферических треугольников, счислением пути и т. п. Очень сложные вычисления производятся в адаптивных системах управления. Эти задачи решаются с помощью средств вычислительной техники, вводимых в контур управления динамической системой.

По принципу действия электронно-вычислительные машины, используемые в системах управления, разделяются на два типа: аналоговые (АВМ) и цифровые (ЭВМ).

Аналоговые электронно-вычислительные машины представляют собой вычислительные устройства непрерывного типа с результатами вычислений в виде непрерывного электрического сигнала, отражающего значение определяемой переменной.

Выходной сигнал АВМ может быть использован как управляющее воздействие. АВМ легко сопрягается с элементами систем непрерывного управления, удобна и эффективна для решения дифференциальных уравнений как линейных, так и нелинейных. Аналоговые вычислительные системы легко наращивается из отдельных блоков и машин в целом.

Конструктивно АВМ собирается в виде совокупности решающих блоков, организованных в вычислительную систему с помощью электрических связей так, что результат математической операции передается с выхода одного блока на входы других.

Результат решения задачи на АВМ можно измерять, регистрировать с помощью записывающих приборов, наблюдать на экранах осциллографов.

Обычный состав АВМ включает в себя следующие функциональные части:

операционные усилители, наборное поле, устройства управления, измерительную и регистрационную аппаратуру, источники питания. Имея практически одинаковый набор устройств различных типов, АВМ отличаются количеством операционных блоков, определяющим возможности машины, которые выражаются в основном в порядке дифференциальных уравнений, решаемых на АВМ. По этому признаку АВМ подразделяются на три класса: малые (до 20 операционных блоков), средние (20—60 блоков) и большие (свыше 60 блоков).

Недостатком АВМ является ограниченная точность решения задач и отсутствие устройств памяти для хранения больших объемов информации. Широкое внедрение цифровых электронно-вычислительных машин существенно снизило область применения и масштабы использования АВМ. Тем не менее, в сфере управления техническими системами и технологическими процессами роль АВМ достаточно велика. Эти машины проще, чем ЭВМ, работают в реальном масштабе времени и без проблем сопрягаются с элементами непрерывных автоматических систем.

Цифровые электронно-вычислительные машины Современная теория и практика управления немыслимы без использования ЭВМ. Если имеется численный метод решения, то с помощью ЭВМ можно решить любую задачу в любой области науки, техники, экономики, общественной жизни.

В практике управления используются ЭВМ различных типов, которые подразделяются на три вида: большие ЭВМ, малые или мини-ЭВМ, и микроЭВМ. Все они имеют общие принципы работы. Структура ЭВМ обусловлена содержанием процесса обработки информации, включающем следующие основные операции: подготовка данных для ввода в вычислительную машину, ввод исходных данных, собственно вычисления и решение задач, вывод результатов решения. Соответственно, ЭВМ включает следующие основные элементы: процессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), внешние запоминающие устройства (ВЗУ), устройства ввода и вывода.

Процессор — центральное устройство ЭВМ для преобразования информации, управления вычислительными процессами и взаимодействием устройств вычислительной машины. Основными частями процессора являются арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ). Арифметико-логическое устройство осуществляет арифметическое и логическое преобразование информации по командам программы.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.