Magnetické disky

Magnetické disky - mg. hlavičky, povrchy, výměnné jednotky a média. Principy činnosti, zápisu a čtení

 

 

Magnetické disky se rozdělují na:

 

Ø  páskové

Ø  diskové:          pružné disky (FD)

pevné disky (HD)

 

Pásková paměť

Je nejlevnějším druhem vnější paměti mikropočítačů. Používají se buď běžné kazetové magnetofony nebo speciální záznamníky dat pracující s běžnou páskovou kazetou CC. Mimo to se používají záznamníky zabudované do mikropočítače. Ovládání záznamníku dat závisí na obslužném monitorovém programu připojeného mikropočítače. Kvalita programu určuje jak snadno může obsluha počítače zaznamenávat, vyhledávat a číst jednotlivé programy nebo soubory dat. Jedná se vždy o sériový záznam i přístup k datům (obr. 1).

 

 

Způsob obsluhy lze rozdělit do tri kategorií:

l. Základní. Data nebo programy jsou vysílány z počítače a nahrávány na pásek po blocích většinou o délce 256 bytů. Vysílání dat předchází ruční spuštění magnetofonu s následným spuštěním mikropočítače. Po ukončení nahrávky je nutné zastavit nahrávač. Čtení z pásky se děje opačným způsobem. Ukončení nahrávání pásky nebo naopak z pásky je možné opticky nebo akusticky signalizovat.

2. Standardní. Soubor dat nebo programů se označí názvem (Name), pod nímž je zaznamenán a podle něhož bude i vyhledáván bez označení počtu bytů. Opět musí předcházet ruční spuštění magnetofonu s následnou aktivací mikropočítače. U nahrávačů vybavených dálkovým ovládáním může být spuštění vykonáno přímo povelem z klávesnice mikropočítače. Přehrávání programů z kazety do operační paměti se děje povelem LOAD a označením názvu nebo návěští žádaného souboru dat.

3. Systémová. Manipulace je plně automatizována. Pohodlí je srovnatelné s disketovou jednotkou. Dosahuje se též větší přenosové rychlosti než obvyklých 300 bit/s - průměrně

3 600 bit/s až do 9 600 bit/s. Přenosová rychlost záznamu u jmenovaných obsluh je volitelná ve velkém rozsahu ve stupních. Běžně se však používá rychlosti 300 bit/s, takže nahrávání programu trvá dlouho. Byla snaha na magnetofonové pásce normalizovat formát dat pomocí normy ANS/X3B 1/579 a to do bloků s délkou asi 256 bytů včetně návěští, kontrolních bytů, atd. Tato snaha byla neúspěšná, a proto se lze setkat s obdobnými formáty. K záznamu se používají převážně tyto formáty:

Kansas-City. Jedná se o záznam hodnoty logická 1 jako 8 period frekvence 2 400 Hz při přenosové rychlosti 300 Hz. Hodnota logická 0 je pak zakódována jako 4 periody frekvence 1 200 Hz.

Manchester I. Každý zakódovaný bit začíná 9 impulsy délky 0,276 ms a končí vždy 6 impulsy délky 0,414 ms. Hodnota logická 1 je vyjádřena změnou vyšší frekvence (3 600 Hz) na frekvenci nižší (2 400 Hz) v první třetině periody a hodnota logická 0 změnou ve 2/3 periody.

Manchester II. Data jsou zakódována fázově, takže se snižuje vliv závislosti kolísání rychlosti posunu pásky při vyšší přenosové rychlosti. Vždy mezi dvěma po sobě jdoucími bity jedničkovými nebo nulovými se vysílá impuls o délce T1 s opačnou polaritou než příslušné bity.

Streamer. Streamery jsou kazetopáskové paměti. Jedná se o 1/4" magnetickou pásku v minikazetě, určenou pro vysokou hustotu záznamu a s kapacitou 80 nebo 120 MB, při délkách 62,5 a 93,7 m. Data jsou zapisována na 28 podélných stopách při hustotě 14 700 bpi (bitů/in; in palec). Střední doba přístupu je asi 22 s. Kazeta obsahuje seznam jednotlivých záznamů. Zápis se provádí jako u disket v kódu MFM a používá se opravný kód ECC (Error Correction Code). Podle typu použitého řadiče je přenosová rychlost 0,5 Mb/s nebo 1 Mb/s. Rychlost posunu pak je 34 ips nebo 68 ips (inch per second) a pro účely vyhledávání nebo převíjení asi 80 ips. Jedná se vždy o sériový záznam i přístup k datům.Každá kazeta se musí před použitím obdobně jako pružný disk formátovat.

Otáčení cívek zajišťuje zvláštní mechanismus zajištující konstantní tah. Kombinovaná hlava mající dvojnásobnou šířku magnetické pásky má uprostřed štěrbinu o šíři jedné stopy na pásce. To proto, aby bylo možné provádět zápis i čtení všech stop napříč pásky. Při vložení pásky do mechaniky začíná hlava hledat na pásce stopy a současně se páska převíjí do krajní polohy k adresáři, kde je uveden seznam. Záznamy na pásce jsou řazeny sekvenčně. Seznam souborů v rámci jednoho seznamu je na jeho počátku. Delší záznamy mohou být i na více kazetách. Záznamy nelze mazat jednotlivě. Přenos dat je realizován pomocí DMA a tak lze během přenosu využít procesor pro komprimaci dat.

Floppy streamer. Tyto streamery se připojují na běžný řadič pružného disku jako další mechanika. Po dobu práce streameru není však možné pracovat s mechanikou pružných disků.

 

Pružný disk

Pružný disk (disketa) se nazývá též anglicky floppydisk a označuje se FD. Je to pružný plastový (většinou milarový) kotouč s oboustranně nanesenou tenkou magnetickou vrstvou většinou v pružném papírovém nebo plastovém ochranném pouzdru. Diskety v provedení od 3,5" a menší jsou většinou v pevném pouzdru. Uvnitř pouzdra je ještě vláknitá vložka sbírající nečistoty a snižující tření mezi kotoučem a pouzdrem. Disketu nelze z pouzdra vyndat. Diskety se vyrábějí ve standardních velikostech a jejich používaný rozměr se neustále zmenšuje. Současně se zvětšuje jejich paměťová kapacita. Jde o diskety s rozměrem 5,25" a 3,5". Záznam na disketě je realizován v soustředných kružnicích - stopách (Track). Záznam i přístup k datům je vždy sériový. Jedná-li se o oboustranný záznam, pak stopy ve stejných pozicích (1. a 2. strana) se nazývají válce (Cylindr). Stopy jsou dále děleny na sektory (segmenty). Sektor je pak nositelem určitého počtu bytů a to obvykle 128, 256, 512, 1 024 nebo 2048. Z toho vyplývá paměťová kapacita diskety.

C = NB NA NT NP,

 

NB je počet bytů sektoru

NA - počet sektorů na stopu

NT - počet stop aktivní strany

 Np - počet aktivních stran.

 

 

 

V dnešní době se používají diskety sektorované volně, tj. počet je určen programem. Začátek stopy je dán indexovaným otvorem (5,25" ) nebo značkou (3,5"), od jejíž polohy se každý z následujících sektorů liší úhlovou odchylkou. Diskety sektorované pevně jsou zastaralé a již se nepoužívají.

U disket rozlišujeme, zda jsou používány jednostranně (SS – Single Sided) nebo oboustranně (DS - Double Sided). Magnetická vrstva je však nanášena na mylarovou fólii máčením, takže aktivní vrstvou jsou opatřeny obě strany. Leštěna byla u jednostranných disket jen aktivní strana. Při používání neleštěné druhé strany hrozí zničení univerzální hlavy. Prázdné diskety jsou záměnné, ale podle operačních systémů dochází logickým formátováním k podstatným změnám v zápisu v těchto oblastech:

 

Ø  oblast systémových stop rezervovaných pro operační systém;

Ø  oblast adresáře, kde je zanesena poloha všech datových souborů a programů včetně délky a pořadí;

Ø  oblast vlastních dat;

Ø  rozdílnost ve způsobu číslování sektorů a ukládání dat v těchto sektorech.

 

Formát záznamu. Každá například 8" disketa má 77 stop číslovaných 00 až 76, kde stopa OO je u vnějšího okraje diskety (obr.).

Lze adresovat 74 stop. Funkce jednotlivých stop je následující:

 

Ø  stopa 00 - stopa systémových značek,

Ø  stopy O1 až 74 - stopy pro záznam dat,

Ø  stopy 75 a 76 - náhrada za vadné stopy O1 až 74.

 

Každá stopa je rozdělena na 26, 15 nebo 8 sektorů s délkou 128, 256 nebo 512 bytů. První sektor má označení Ol a je hned za indexovým otvorem. Logický sled ostatních sektorů závisí na jeho poloze určené při formátování. Záznam je uložen do jednoho nebo více sektorů v závislosti na délce. Každý sektor se skládá z identifikačního pole ID a datového pole. Každé pole začíná 6 byty nul. Následuje byte adresové značky. Identifikační pole ID, neboli adresa sektoru, je dlouhé 7 bytů a obsahuje:

Ø  adresovou značku,

Ø  číslo válce (určuje číslo stopy), · číslo hlavy (spodní, horní),

Ø  číslo sektoru, · délku sektoru,

Ø  2 byty CRC (kontrolní).

 

Ačkoliv jsou data z počítače přenášena sekvenčně, je třeba se postarat o odpovídající formát. Při formátování, tj. poté, co je disketa vložena do disketové jednotky, je řadičem a příslušnými povely formátovacího procesu patřičně označena. Přitom se zaznamená žádané dělení na sektory, všechny mezery, adresové značky atd.

 

Disketová jednotka. Disketa se vkládá do disketové mechaniky. Toto zařízení zajišťuje otáčení diskety konstantní rychlostí přibližně 300 min-1 a posuv včetně přiložení hlavy na zvolenou stopu. Jeden motor buď přímo nebo přes řemínkový převod otáčí disketou. Setrvačník je opatřen stroboskopickým kotoučem pro kontrolu otáček. Druhý motor ovládá posuv hlavy. Vestavěná elektronika zajišťuje veškerou činnost disketové jednotky. Je ovládána mimo jiné mikrospínači a různými čidly (zabránění přepisu, poloha hlavy, otáčky, atd.). Celá mechanika je umístěna v pevné kazetě. Motory pracují jen po dobu snímání dat.

 

Bernoulliho disk. Bernoulliho diskem nazýváme pružný disk otáčející se velkou rychlostí a mající též vysokou hustotu záznamu. Je vyráběn a dodáván v pevném obalu jako 3,5" disketa. Při rychlé rotaci se disk stává tuhým a vytváří vzduchový polštář, na kterém plave kombinovaná hlava. Paměťová kapacita 5,25" Bernoulliho diskové jednotky je až 230 MB.

 

Floptical. Takto nazýváme pružné disky o velké paměťové kapacitě (až 20 MB) při rozměru 3,5". Vysoké hustoty záznamu se dosahuje tak, že se při výrobě nahrávají vodicí stopy (též servostopy). Díky tomu je jednotka schopna zapisovat stopy mnohem blíže a mnohem přesněji než normální disketová mechanika. Tato mechanika je schopna číst i zapisovat na běžné 3,5" diskety.

 

Pevný disk

Jedná se o velkokapacitní vnější paměť s původním pracovním názvem Winchester. V dnešní době se nazývá harddisk (pevný disk) a označujeme HD. Zařízení tvoří jednu paměťovou jednotku, která se skládá z :

 

Ø  Paměťového média, což je rotační vícedeskový disk z tvrzeného hliníku, na kterém je vrstva kysličníku železitého.

Ø  Univerzálních hlav schopných čtení nebo zápisu. Hlavy se při chodu nedotýkají povrchu. Díky otáčkám nadnáší hlavy vzduchový polštář, čímž nedochází k opotřebení hlav. V dnešní době jsou hlavy aretovány ve speciální zóně a teprve po dosažení otáček a zajištění "plavání" jsou odaretovány. Hlavy se v poslední době začínají vyrábět jako magnetorezistivní jak pro čtení, tak i zápis.

Ø  Speciálního vzduchového filtru, který zachycuje částečky prachu a také kouř. Z tohoto důvodu je vlastní disk nevýměnný. Při vzdálenostech 0,3 μm by díky prachu docházelo k rychlému opotřebování hlav i média. Vzdálenost je proto tak malá, že od ní závisí hustota informací. Platí úměra, že čím menší vzdálenost, tím hustší zápis.

Ø  Pohonné jednotky, která otáčí pevným diskem obvykle rychlostí 3 600 min-1 (7 200 min-1). Ovládání hlav s lineárním krokovým motorem nebo polohovým servomotorem.

 

Vše, co bylo řečeno o pružných discích, platí většinou i o pevném disku. Rozdíly jsou následující. Počet stop je mnohem větší než 80, v mnoha případech se jedná o počet výrazně překračující číslo 1 000. Stopy se dělí na 17, 26, 33 a 34 sektorů. Disky se 17 sektory mají záznam MFM, disky s větším počtem sektorů pak záznam RLL nebo PRML (Partial Response Maximum Likelihood). Každý sektor má paměťovou kapacitu 512 bytů.

Rychlost, a tím i pracovní výkon pevného disku, se určuje přístupovou dobou, která určuje, jak rychle se vyhledávají daná data, a rychlostí přenosu. Doba přístupu (Access Time) se pak skládá z doby vystavení (Seek Time) a doby čekání (Iatency Period). To znamená, že se musí čekat, až se hlavy nastaví nad válec zadaného sektoru a než se natočí disk do polohy, kdy jsou hlavy nad daným sektorem. Navíc zde hraje úlohu prokládání. Prokládání je systém uložení jednotlivých sektorů za sebou. Jen výjimečně jdou sektory za sebou 1, 2, 3 atd. To z toho důvodu, že jsou disky proti chybám zápisu opatřeny kontrolními informacemi ECC (Error Correcting Code) a sejmutá data procesor v řadiči disku přepočítává. To však nějakou dobu trvá a mezi tím se disk stačí pootočit o takový úhel, že by začal číst například 3. sektor. Z tohoto důvodu se provádí prokládání (Interleave) a označuje se prokládacím poměrem (lnterleave Factor) například 1:5. Číslování začíná sektorem 1, odpočítá se 5 sektorů ve směru hodinových ručiček a tento sektor se označí číslem 2 atd. Čím je větší prokládací poměr, tím je menší rychlost přenosu dat. Formátováním jsou pevné disky rozděleny do absolutních sektorů. Sektory jsou sdruženy do skupin zvaných clustery. Velikost clusterů je dána diskovým operačním systémem. Například 1 cluster má velikost 8 sektorů (8 x 512 B), to je 4 096 B. Je jedno jak velký soubor se do clusteru zapíše. Zda 1 B nebo 4 KB. Vždy se obsadí celý cluster. Každý pevný disk má kořenový adresář souborů, který operačnímu systému DOS sděluje, jaké soubory jsou v adresáři. Adresář souborů obsahuje:

 

Ø  8bytové jméno souboru, 3bytové rozšiřující jméno,

Ø  byte atributů (bity archivní, čtení, utajení),

Ø  2 byty datování a 2 byty času poslední změny,

Ø  číslo prvého clusteru (počátek souboru),

Ø  tabulku FAT, ve které se nalézá adresa zbylých částí souboru,

Ø  4 byty s velikostí souboru v bytech.

 

Z toho vyplývá, že adresář uvádí jména souborů a tabulka FAT, kde jsou soubory umístěny. Jednotlivé položky tabulky FAT mají obsah položky, která určuje pokračování na dalším clusteru. Například položka 25 má obsah 42, to znamená, že čtení bude pokračovat na clusteru 42.

Externí pevné disky jsou připojitelné k počítači přes paralelní port a není třeba kvůli nim provádět hardwarovou úpravu počítače. Další typ pevného disku je výměnný. V počítači je umístěn rám včetně elektroniky. Přenosová část má rozměry 100 x 150 x 15 mm a menší. obsahuje disk včetně pohonu. Lze je vyjímat i za chodu počítače.

 

Záznamy na disketu a pevný disk

Záznam FM. U disket, které mají jednoduchou hustotu, se používá nejčastěji kmitočtová modulace (FM). Každý zaznamenaný bit informace vyžaduje časový interval v délce 4 μs, přičemž každý časový interval začíná hodinovým impulsem T. Každý bit s hodnotou 1 je pak zaznamenán datovým impulsem D uprostřed intervalu. Chybí-li tento impuls mezi hodinovými impulsy T, jedná se o bit s hodnotou 0

Záznam MFM. U disket s dvojnásobnou hustotou se používá záznam MFM - modifikovaná kmitočtová modulace. Při tomto způsobu záznamu je potřebný poloviční časový interval. Kódování je komplikovanější, protože se hodinový impuls objevuje pouze mezi dvojicemi sousedících datových bitů s hodnotou 0.  Používá se do 17 sektorů na stopu.

Záznam M2FM. Stejně jako u záznamu MFM se při záznamu bitu s hodnotou 1 do středu časového intervalu zapisuje datový impuls D. Při nule je hodinový impuls zapsán na její začátek, jestliže předcházející interval neobsahuje hodinový impuls T.

Záznam RLL. Modulace RLL - omezená délka chodu (Run Lenght Limited) umožňuje vyšší záznamové hodnoty než modulace MFM, takže lze na 1 stopu umístit 26 sektorů a současně zvětšit přenosovou rychlost díky většímu množství informací na otáčku. Při více nulách za sebou je nutné odvodit počet nul z uplynulé doby. To však není možné dodržet s dostatečně velkou jistotou, takže nelze například uložit 16 nul za sebou. Proto je třeba všechna data kódovat a omezit maximální počet nul většinou na 7. Tomu odpovídá kódování RLL. Tento algoritmus přeměňuje všechna čísla na nové kombinace, které zabezpečí maximální povolené sledy nul. Toto kódování však potřebuje dvojnásobné množství zapisovaných bitů. Navíc jednotlivé bity musí být od sebe dostatečně vzdáleny, aby nedošlo k tomu, že snímací hlava není schopna rozlišit jednotlivé signály. Pokud je nerozliší, bere je jako signál jediný. Proto se vyšlo z předpokladu, že data lze rozdělit na posloupnost dvou až čtyřbitových vzorů. Pro každý vzor je definován obraz RLL. Dalším vývojem vznikly modulace:

 

Ø  ARLL (pro 35/36 sektorů na stopu),

Ø  ERLL (pro 54/55 sektorů na stopu).