Budowa i funkcjonowanie dysku HDD i FDD

Spis treści:

1. Charakterystyka dysku twardego
a) budowa dysku twardego
b) odczyt informacji
c) organizacja fizyczna dysku
d) połączenie dysku z komputerem

2. Budowa i funkcjonowanie napędu FDD
a) mechanizm działania napędu
b) sterowanie mechanizmem napędu
c) zabezpieczenie przed napisem

1. Charakterystyka dysku twardego

Dysk twardy jest jednym z podstawowych urządzeń spotykanych w komputerach osobistych. Umożliwia on przechowywanie dużych ilości danych oraz szybki dostęp do nich.
Pierwowzorami współczesnych dysków twardych były dyski stosowane w dużych komputerach u schyłku lat 60. Pierwsze seryjnie produkowane dyski twarde do komputerów IBM PC wypuściła firma Seagate. Miały one pojemność 10MB i były bardzo drogie.
Czasy w pełni funkcjonalnych komputerów, którym do poprawnego działania wystarczyła odpowiednio przygotowana dyskietka systemowa, odchodzą powoli w niepamięć. Posiadanie dużego dysku twardego jest w tej chwili niezbędnym warunkiem uruchomienia współczesnego oprogramowania. Dostępne obecnie na rynku dyski twarde dzielą się na dwie grupy: droższe, niemal ekskluzywne modele SCSI oraz tańsze napędy EIDE, przeznaczone dla masowego, z założenia mniej wymagającego odbiorcy. Urządzenia EIDE, w tym wykorzystywane w nich technologie, ewoluowały. W konsekwencji różnice pomiędzy oboma kategoriami produktów zdają się powoli zacierać. Oczywiście, technologia SCSI jest nadal jedynym bezpiecznym rozwiązaniem w profesjonalnych, wymagających zadaniach (serwery, zaawansowane stacje robocze, montaż cyfrowego obrazu i dźwięku), ale i tu zaczynają powoli wkraczać rozwiązania “z dolnych półek".
a) Budowa dysku twardego
Dysk twardy to metalowe pudełko o szerokości 3,5 lub 5,25 cala. Od spodu najczęściej widoczna jest płytka z elektroniką, a z boku złącza do podłączenia zasilania i kabla łączącego dysk z kontrolerem, czyli specjalnym układem sterującym pracą dysku.
Mechanizm dysku twardego składa się z następujących komponentów: obudowy, pozycjonera głowicy, ramion głowic, głowic odczytu/zapisu oraz kilku dysków. Każdemu dyskowi pamięci przyporządkowane są dwie głowice (dla jego dolnej i górnej powierzchni). Głowice utrzymywane są na sprężynujących ramionach, przy czym wszystkie ramiona głowic są ze sobą połączone i poruszają się synchronicznie, napędzane pozycjonerem. W stanie spoczynku głowice znajdują się na ścieżce parkującej dysku. W momencie, gdy dysk zaczyna wirować, poduszka powietrzna wytworzona przy powierzchni, unosi głowice na wysokość mniejszą niż l mikrometr. Zadaniem pozycjonera jest przemieszczenie głowic na wybrany cylinder. Pozycjonery zbudowane w oparciu o silnik liniowy (elektromagnetyczny), same parkują głowice po wyłączeniu zasilania, gdyż sprężyna automatycznie odciąga je do położenia parkowania.

Pracą mechanizmu sterują układy elektroniki, zawierające: blok zapisu, blok odczytu z detekcją i korekcją błędów oraz sterowanie pozycjonera. Współczesne dyski wyposażane są w bufor danych (o pojemności 128 KB - 2 MB), zwany też dyskową pamięcią podręczną (Cache), umożliwiający zwiększenie szybkości transmisji. Aby przyspieszyć transmisję w dyskach z pamięcią Cache, stosuje się następującą zasadę: z dysku podczas odczytu wczytuje się do pamięci Cache, oprócz interesujących nas w danej chwili sektorów, również sektory następujące po nich. Jeśli dane te zostaną zażądane później, to nie muszą być odczytywane z dysku, lecz przywołane są z pamięci Cache.
Dysk gotowy jest do pracy dopiero wtedy, gdy zostanie sformatowany przez producenta lub użytkownika. Formatowanie polega na podziale dysku na ścieżki i sektory. Jest to tzw. formatowanie niskiego poziomu lub formatowanie fizyczne.
Na systematyczny wzrost pojemności, produkowanych współcześnie dysków, mają wpływ coraz większe gęstości upakowania informacji na jednostkę powierzchni, dzięki coraz doskonalszym nośnikom magnetycznym, głowicom zapisu/odczytu oraz ciągle ulepszanym metodom kodowania zapisywanych danych. Współczesne dyski osiągają gęstość upakowania wynoszącą l gigabit na cal kwadratowy.


b) Odczyt informacji.
Dotychczasowe metody odczytu informacji z dysku polegały na wykrywaniu wierzchołków odczytywanych sił elektromotorycznych (fzw. Peak Detection). Przy wysokiej gęstości zapisu oraz dużej prędkości obrotowej dysków mogą powstawać zniekształcenia tych wierzchołków. Nowa metoda odczytu - zwana metodą PRML pozwala bezbłędnie rozpoznać szczyt sygnału sem mimo występujących zakłóceń. Metoda ta wykorzystuje dwa mechanizmy: Partial Response i Maximum Likelihood.
Technika Partial Response polega na próbkowaniu analogowego sygnału odczytywanego przez głowicę MR za pomocą przetwornika A/C. Na podstawie uzyskanych próbek specjalny układ wyposażony w procesor DSP, korzystając z metody największego prawdopodobieństwa (Maximum Likelihood) określa miejsce położenia wierzchołka sem. Dzięki tej nowej technologii możliwe jest zmniejszenie wymiarów domen magnetycznych a więc wzrost gęstości zapisu, a co za tym idzie wzrost pojemności dysku.
Kolejnym ważnym parametrem jest prędkość obrotowa dysku, która osiąga we współczesnych konstrukcjach aż 7200 obrotów na minutę (dyski SCSI - 10000 obr/min).
c) Organizacja fizyczna dysku
Struktura i zasada zapisu danych na dysku twardym jest podobna jak na dyskietce. Każdy talerz jest podzielony na koncentryczne ścieżki, które z kolei dzielą się na sektory. Ścieżki o tym samym numerze na wszystkich powierzchniach nośnika zgrupowane są w jednostkę zwaną cylindrem.
Zasadniczo organizacja logiczna dysku twardego w systemie DOS jest podobna do dyskietek. Różnicą jest podział na partycje i dyski logiczne, czyli mniejsze jednostki -jak gdyby kilka dysków twardych.

d) Połączenie dysku z komputerem Oczywiście, podobnie jak w przypadku dysków elastycznych, dysk twardy jest połączony z magistralą lokalną prze specjalny układ kontrolera. Połączenie dysku z kontrolerem odbywa się za pomocą jednego z kilku stosowanych do tego celu interfejsów;ST-506 Jest to projekt firmy Seagate dla swoich pierwszych dysków twardych do komputerów PC. Największą wadą tego interfejsu jest jego ograniczona przepustowość, co wymuszało stosowanie tzw. odczytu z przeplotem.IDE Jest to bardzo popularny interfejs dysku twardego. Podstawowe elementy elektroniczne są zintegrowane z samym napędem dysku. Inne nazwy tego standardu to: AT-BUS i ATA. Do jednego złącza interfejsu IDE można przyłączyć dwa twarde dyski, które muszą być wówczas odpowiednio skonfigurowane. Do konfiguracji służą zworki umieszczone na każdym dysku twardym. Zazwyczaj dyski mają trzy położenia zworek, oznaczone odpowiednio: S - Single - do pracy pojedynczej, MA - Master - jako dysk nadrzędny przy pracy z drugim dyskiem, SL - Slave -jako dysk podrzędny przy pracy z dwoma dyskami. Jeden z dwóch dysków musi zawsze pracować w trybie Master, a drugi Slave. System operacyjny startuje z dysku Master (istnieją wyjątki - przy zmianie konfiguracji w BlOSach najnowszych typów). Do największych wad standardu IDE należy ograniczenie wielkości dysku od 528MB, która wynika z ograniczeń BIOSu i kontrolera dysku. Do obsługi większych dysków stosuje się adresowanie ECHS lub ŁBA.EIDE Jest to nowsza wersja interfejsu IDE. Standard EIDE likwiduje wszystkie wady poprzednika. Składa się on z kilku odrębnych części:ATAPI - pakietowa realizacja standardu IDE. Umożliwia podłączenie do interfejsu urządzeń innych niż dyski twarde, z których najpopularniejsze są napędy CD-ROM,standard PIO - programowalnego wejścia-wyjścia. PIO jest standardowym sposobem komunikacji używanym przez BIOS. Kontrolery EIDE przeważnie są wyposażone w dwa złącza IDE, a do każdego z nich można podłączyć dwa dyski twarde.SCSCI Interfejs ten jest bardziej profesjonalnym rozwiązaniem niż IDE. Wyróżnia go szybki transfer, możliwość podłączenia większej liczby urządzeń, nie tylko dysków twardych. Za pomocą interfejsu SCSI można sterować także skanerami, napędami CD-ROM, napędami dysków magnetooptycznych, streamerami i innymi urządzeniami. Istnieje kilka wersji standardu SCSI różniących się między sobą prędkością transmisji.

2. Budowa i funkcjonowanie napędu FDD
Stacja dysków (ang. Floppy Disk Drive - FDD) służy do odczytu i zapisu dyskietek przez komputer. Dyskietki są nośnikami pamięci trwałej - magnetycznej. Oznacza to, że po wyłączeniu zasilania informacje zapisane na dyskietkach nie zostaną skasowane. W odróżnieniu jednak od pamięci typu ROM zawartość dyskietki może być zmieniana. Jeżeli komputer nasz nie jest podłączony do sieci komputerowej, to dzięki dyskietkom (lub płytkom CD-ROM) mamy możliwość wymiany oprogramowania z innym użytkownikiem oraz instalację programu zakupionego w sklepie .

a) mechanizm działania napędu

Mechanizm stacji dysków 3.5'' ilustruje rysunek. Silnik krokowy poprzez przekładnię ślimakową napędza karetkę z głowicami zapisu/odczytu. Włożenie dyskietki do kieszeni powoduje przesunięcie się dźwigni, która przemieszcza metalową przesłonę i odsłania dostęp głowicy do powierzchni magnetycznej. Naciśnięcie przycisku wysuwu dyskietki powoduje zwolnienie blokady dźwigni i za pomocą sprężyny wypchnięcie dyskietki z kieszeni.
Aby dokonać wymiany dyskietki, należy otworzyć kieszeń pamięci dyskowej, wyjąć dyskietkę i włożyć nową. Fakt ten jest rejestrowany sygnałem pojawiającym się na 34 linii interfejsu FDD, o nazwie Change Disk (pochodzącym od mikroprzełącznika "zmiana dyskietki"). W starszych stacjach dysków linią 34 sygnalizowana była gotowość stacji dysków (Ready). W związku z faktem niejednoznacznego przeznaczenia linii 34 interfejsu FDD, powstało wiele nieporozumień przy montażu pamięci dyskowych, zwłaszcza przez niedoświadczonych użytkowników.


b) sterowanie mechanizmem napędu

Sterowanie mechanizmem zawiera układy: pozycjonowania głowic, zapisu i odczytu danych, układ stabilizacji prędkości obrotowej silnika napędu dysku oraz układy formatowania impulsów z czujników fotoelektrycznych. Napęd dysku łączony jest z pakietem FDC liniami interfejsu o maksymalnej długości 2m. Każda linia posiada nadajnik (np. 7438) oraz odbiornik interfejsu (np. 74132). Poziomy napięć na liniach interfejsu odpowiadają poziomom TTL. Rysunek ilustruje schemat blokowy układu sterowania mechanizmem. Znaczenie sygnałów na poszczególnych liniach interfejsu FDD jest następujące:
DRIVE SELECT 0, 1, 2, 3 - wybór mechanizmu nr 0, 1, 2, 3 (cztery linie)
MOTOR ON - włącz silnik
DIRECTION SEL - wybór kierunku przesuwu głowic
STEP - krok (impuls przesuwający głowicę o jedną ścieżkę)
SIDE SEL. - wybór głowicy
WRITE GATE - zapis
WRITE DATA - dane zapisywane
DISK CHANGE/READY - zmiana dysku/gotowość mechanizmu
HEAD LOAD - docisk głowicy do dyskietki
WRITE PROTECT - zapis wzbroniony
TRACK 0 - głowica na ścieżce zerowej
INDEX - impuls indeksowy (początek ścieżki)
READ DATA - dane odczytane

Linia MOTOR ON powoduje włączenie silnika napędu dysku, który uzyskuje nominalną prędkość obrotową po 0,5 sekundy. Wtedy mechanizm uaktywnia linię READY. Pozycjonowanie odbywa się w następujących etapach:
· powrót do ścieżki zerowej wykonuje się impulsami STEP, przy niskim poziomie DIRECTION SEL., aż do uzyskania sygnału TRACK 0, który powstaje po ziloczynowaniu impulsu z czujnika ścieżki zerowej z jedną z faz silnika krokowego, w celu precyzyjnego ustawienia głowicy na ścieżce zerowej.
· poszukiwanie właściwej ścieżki należy rozpocząć od ustawienia sygnału DIRECTION SEL., następnie linią STEP podać tyle impulsów, ile wynosi różnica pomiędzy numerem ścieżki żądanej a numerem ścieżki aktualnej.
Operację zapisu i odczytu można rozpocząć po 15ms od ostatniego impulsu STEP (jest to czas przeznaczony na uspokojenie drgań pozycjonera). Operacja zapisu jest możliwa przy wysokim poziomie sygnału WRITE GATE oraz niskim poziomie sygnału WRITE PROTECT. Sygnał SIDE SEL. wybiera jedną z dwóch stron dysku. Nie powinien on zmieniać swojej wartości podczas operacji zapisu lub odczytu. Układ pozycjonowania steruje silnikiem krokowym, ustawiając głowice na wybranej ścieżce. W najprostszych rozwiązaniach układowych zawiera on z reguły czterobitowy rejestr przesuwny, którego zadaniem jest włączenie kolejnych faz silnika.

Sygnały DIR SEL i STEP ustawiają tryb pracy rejestru (przesuw w prawo lub lewo). Każdy impuls STEP powoduje przemieszczanie "1" w rejestrze przesuwnym, włączając kolejne fazy silnika krokowego (1 krok to obrót wirnika o 1,8 stopnia lub 3,6 stopnia). Po włączeniu zasilania, zespół głowic jest automatycznie przemieszczany na odległość kilku ścieżek, a następnie wycofywany na ścieżkę zerową (TRACK 00). Sygnał TRACK 00 pojawia się wtedy, gdy:
· fototranzystor w czujniku TRACK 00 jest mechanicznie przesłonięty
· fazy C i D silnika krokowego są wzbudzone
Po automatycznym ustawieniu na ścieżce 00, impulsy STEP będą przemieszczać zespół głowic mechanizmu wybranego linią SELECT, w kierunku określonym sygnałem DIRECTION SEL. W rezultacie działania tych dwóch sygnałów, na wyjściach PHASE A, B, C, D pojawiają się napięcia sterujące silnikiem krokowym, zgodnie z poniższą tabelą:
Fazy: ABCD Krok
11000110001110011100 -1234 Każdy impuls STEP powoduje 1 obrót silnika krokowego o 1,8 stopnia (3,6 stopnia) zapewniając tym samym przesuw głowicy o 0,264 mm dla dyskietek 80-ścieżkowych i 0,529 mm dla dyskietek 40-ścieżkowych
W starszych typach stacji dysków sygnał READY generowany był wtedy, gdy prędkość obrotowa dysku osiągnęła wartość 300 (360) obr/min. Sygnał ten pochodził z detektora impulsów początku ścieżki. W nowszych stacjach dysków sygnał ten używany jest do informowania systemu o zmianie dysku w napędzie (DISK CHANGE).
Obecnie wiele firm produkuje układy scalone spełniające wszystkie funkcje sterujące mechanizmami pamięci dyskowych. Układy te sterują zapisem i odczytem informacji, silnikiem krokowym, kontrolują stan czujników: ochrony zapisu, ścieżki zerowej i początku ścieżki.

Uwagi o instalacji stacji dysków
Stacja dysków elastycznych łączona jest ze sterownikiem FDC za pomocą 34-żyłowego kabla sygnałów kontrolnych i danych. Drugi - 4-żyłowy kabel zasilania łączy stację dysków z zasilaczem. Przyporządkowanie sygnałów kolejnym stykom złącza jest następujące:
Styk Opis Styk Opis
2 Zarezerwowany 20 Krok
4 Opuszczenie głowicy 22 Dane zapisywane
6 Wybór stacji nr 3 24 Bramka zapisu
8 Index 26 Ścieżka zerowa
10 Wybór stacji nr 0 28 Blokada zapisu
12 Wybór stacji nr 1 30 Dane odczytane
14 Wybór stacji nr 2 32 Wybór strony
16 Włączenie silnika 34 Zmiana dysku/Gotowość
18 Wybór kierunku
Wszystkie styki o numerach nieparzystych są zwarte do masy. Poziomem aktywnym wszystkich sygnałów jest poziom niski.
Podczas instalacji stacji dysków w systemie, należy ustawić pewne parametry konfiguracyjne. Każda stacja posiada zespół zworek służący do ustawienia numeru instalowanego dysku DS1..DS4, oraz zespół rezystorów tłumiących odbicia w linii. Przy montażu dwóch stacji dysków należy na pierwszej ustawić zworkę w położeniu DS0 (wybór stacji nr 0), a na drugiej DS1 (wybór stacji nr 1). Wprawdzie interfejs FDD posiada cztery linie wyboru mechanizmów, jednak sterowniki FDC mogą obsłużyć z reguły dwa mechanizmy. Oba dyski łączone są specjalnym kablem 34-żyłowym z kontrolerem FDC w konfiguracji łańcuchowej (ang. Daisy Chain). Konfiguracja łańcuchowa polega na podłączeniu obu dysków do tego samego kabla 34-żyłowego. Na dysku ostatnim (w łańcuchu połączeniowym)należy zainstalować rezystory tłumiące (ang. Terminatory). Rezystory te umieszczone bywają w dwurzędowej obudowie typu DIP lub w jednorzędowej typu SIP i należy je usunąć z wszystkich stacji włączonych do systemu poza ostatnią. Czasami rezystory montowane są na stałe w stacji dysków i można je blokować poprzez ustawienie odpowiedniej zworki. Często stosuje się też technikę obciążenia rozłożonego (ang. Distributed Termination) polegającą na tym, że każdy dysk wnosi część obciążenia i w trakcie instalacji dysku nie należy się martwić dopasowaniem magistrali. Niektóre kable interfejsu FDD posiadają kilka przewodów skręconych (linie wyboru dysku i włączenia silnika) co umożliwia ustawienie zworek DS w tej samej pozycji na obu dyskach.
Styk 34 interfejsu FDD w systemach AT jest używany do sygnalizacji zmiany dysku. Poziom wysoki sygnału "zmiana dysku" pojawia się w chwili gdy drzwi stacji zostają otwarte. Po włożeniu nowego dysku i po uruchomieniu głowic, sygnał zmienia wartość na "0". Wykorzystanie tego sygnału powoduje zwiększenie szybkości pracy FDD, bowiem system komputerowy przechowuje tablicę FAT w pamięci RAM i każda kolejna operacja dostępu jest wykonywana znacznie szybciej, gdyż tablica ta nie musi być ponownie odczytywana, jeśli system wie, że dyskietka nie była zmieniana. Niektóre stacje dysków elastycznych (zwłaszcza starszego typu) używają styku 34 do przesyłania sygnału "gotowości" i jeśli taka stacja używana jest w systemie AT, należy odłączyć styk 34 lub przestawić zworkę "zmiana dyskietki/gotowość" w położenie "zmiana dyskietki".
c) Zabezpieczanie przed zapisem.

Podobnie jak kasety magnetofonowe czy magnetowidowe dyskietki można zabezpieczyć przed zapisem. W dyskietkach 3.5-calowych przesuwamy kwadracik z tyłu dyskietki aż do uzyskania prześwitu. W dyskietkach 5.25-calowych zaklejamy w tym celu wycięcie u góry dyskietki.


Sposób zapisu na dyskietkach jest inny niż na płytach gramofonowych (zapis w postaci spirali) lecz taki sam jak na płytach kompaktowych. Informacje przechowywane są w koncentrycznych okręgach zwanych ścieżkami (ang. track ). Oprócz tego wszystkie ścieżki podzielone są na sektory (ang. sector ). I tak na dyskietce 3.5-calowej MF2HD znajduje się 18 sektorów i 80 ścieżek podczas gdy na MF2DD jest 9 sektorów i 80 ścieżek.

Wycinek ścieżki znajdujący się w jednym sektorze ma pojemność 512 bajtów (znaków) i jest najmniejszą jednostką jaka może być zapisana i odczytana z dyskietki. Dlatego też jeśli stworzymy plik o rozmiarze kilkunastu bajtów i tak zajmie on na dyskietce 512 bajtów.

Proces tworzenia sektorów i ścieżek na dyskietce nazywa się formatowaniem. W zależności jednak od systemu, z którym pracujemy proces ten uruchamiany jest w różny sposób.

---