Техническая диагностика средств вычислительной техники

Для повышения разрешающей способности дисплея против телевизора, где частота строк составляет 14600 Гц, видеомонитор работает с частотой строчной развертки 31500 Гц, а кадровой - 60-100 Гц, против телевизора, где полукадровая частота 50 Гц при чересстрочной развертке. Получаемая при этом разрешающая способность видеомонитора составляет от 640х480 до 1600х1200 пикселей по горизонтали и вертикали соответственно, в зависимости от типа и режима работы видеомонитора.

Полоса частот канала яркости видеомонитора составляет 35 МГц (скорость включения/выключения пикселей) вместо 4,5 МГц в телевизоре.

Разъем интерфейса видеомонитора VGA - 9-контактный, типа DIN, со следующим распределением сигналов:

1 - GND (0 в)

2 - GND

3 - R (красный)

4 - G (зеленый)

5 - B (синий)

6 - I (яркость)

7 - не задействован

8 - КСИ

9 - ССИ.

Упрощенная блок-схема монитора VGA приведена на рисунке 1.10.

/¦
----------¬ ОС / ¦
------¬ ------¬ ------¬ ¦ ------¦ -------------------/ ¦
R -->¦ бу- ¦ ¦сигн.¦ ¦видео¦---- ¦ ¦) ¦¦R ---\ /---¬ фокус ¦
G -->¦феры ¦-->¦проце¦-->¦усил.¦-------¦-¦----¬ ¦ \/ ¦ -¬ ¦
B -->¦ ¦ ¦ссор ¦ ->¦ ¦---¬ ¦ ¦) ¦¦G ¦кк /\ ск ¦ ¦¦ ¦
L------ L------ ¦ L------ ¦ ¦ ¦ ¦ / \ ¦ ¦¦ ¦
-----¬ -------¬ ¦ ¦ ¦ ¦) ¦¦B ¦ / \ ¦ +- ¦
I -->¦ буф¦-->¦канал ¦-- L---+-+---- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
L----- ¦ ярк. ¦гашение обр. ходаL--------------------------\ ¦
L--------------------------- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ \ ¦
------------------------------------ ¦ ¦ ¦ ¦ --\¦
¦ ---------¬ ----¬ -----¬ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
КСИ ----------¬L->¦фазовый ¦ ¦ГСР¦ ¦ УС ¦-------¦----- ¦ ¦ ¦
-->¦интерфейс¦-->¦детектор¦-->¦ ¦-->¦ СР ¦-------¦-------¦-- ¦
-->¦ СИ ¦-¬ L--------- L---- ¦ ¦-------¦-------¦-----
ССИ L---------- ¦ L----- ¦ ¦ +25 Кв
¦ ----¬ --------------------------- ¦ на 3-й
¦ ¦ ¦ L>-----¬ -----¬ ¦ анод
L-->¦ГКР¦-->¦ ОУ ¦---->¦ УС ¦----------------
L---- L----- ¦ КР ¦
--------¬ L-----
220в 50Гц ¦ Б П +---> +120v
--------->¦ +---> +80v
¦ +---> +24v
¦ +---> +5v
¦ +---> +12v
L--------
Рисунок 1.10. Блок-схема монитора VGA.

На приведенной схеме:

ФАЗОВЫЙ ДЕТЕКТОР СТРОК обеспечивает синхронизацию по фазе сигналов строчной развертки с синхроимпульсом ССИ от видеоадаптера.

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (ОУ) в канале КСИ, поддерживает начало развертки кадра синхронно с КСИ от видеоадаптера и корректирует фазу КСИ в зависимости от реального положения луча. Это позволяет точно выдерживать синхронизацию, устраняя дрожание пикселей и обеспечивая высокую разрешающую способность монитора.

ВЫХОДНОЙ КАСКАД СТРОЧНОЙ РАЗВЕРТКИ (УС СР) кроме формирования линейного тока развертки лучей в отклоняющей системе, вырабатывает высокое напряжение на фокусирующие электроды ЭЛТ (+6 КВ) и питание 3-го анода кинескопа (+25 КВ).

Блок питания монитора вырабатывает напряжения для выходных усилителей каналов яркости, цветности, строчной и кадровой разверток и дополнительно - напряжения +5 в, +12 в, +24 в для питания логики управления монитором.

Монитор VGA имеет высокое разрешение и подключается только к адаптеру VGA, но сам адаптер VGA может эмулировать также сигналы адаптеров CGA и EGA, т.е. позволяет работать с программами, рассчитанными на VGA, EGA и CGA.

Аналоговые входные сигналы RGB обеспечивают бесконечное число уровней, но видеоплата генерирует только 256 цветов. Сигналы цветности поступают на модуляторы соответствующих цветовых пушек кинескопа, а сигнал яркости - на их катоды.

К устройствам вывода из РС (АРМ) для получения "твердых копий" информации относятся принтеры, плоттеры (графопостроители) и другие подобные устройства.

Контрольные вопросы.

1. Какие типы дисплеев используются в РС?

2. В чем достоинства и недостатки ЖК-дисплея?

3. В чем достоинства и недостатки светодиодных матриц?

4. Какой тип дисплеев чаще всего используется в РС DeskTop и почему?

5. Какие функции выполняет видеокарта?

6. Какие составляющие имеет RGB видеосигнал?

7. Для чего служит видеопамять?

8. Где фактически расположена видеопамять?

9. Чем отличается информация видеопамяти в режиме графики от текстового режима?

10. Какой код принимает и обрабатывает видеосистема в текстовом режиме?

11. Каково назначение фазового детектора строк в видеомониторе?

12. Какую задачу выполняет операционный усилитель в канале кадровой синхронизации видеомонитора?

1.5.2 Система внешней памяти

1.5.2.1) Накопители на гибких магнитных дисках

В компьютерах IBM и совместимых с ними, использовалось более 30 типов НГМД, различающихся диаметром дискеты, высотой накопителя, плотностью записи и другими параметрами. Применялись дискеты диаметром 5,25" и 3,5" с удвоенной плотностью (40 дорожек на две поверхности 5,25" дискеты) и учетверенной (80 дорожек). В первом случае емкость дискеты составляет 360 Кбайт, во втором - 1,2 Мбайт. 3,5" дискеты имеют тоже 80 дорожек на каждой их двух поверхностей дискеты и емкость 1.44 Мбайт (дискеты емкостью 2,88 Мбайт появились, но широкого распространения не получили, из-за недостаточной надежности хранения информации).

Поперечная плотность записи часто обозначается числом дорожек на дюйм TPI (Track-Per-Inch). Так, дискеты с 48-ю TPI - двойной, а с 96-ю TPI - учетверенной, или высокой (high) плотности. Продольная плотность - это число бит на дюйм длины дорожки. Так как запись на дорожке концентрическая, а диаметр дорожек разный (у периферии диска - больше, а у центра - меньше), продольная плотность записи для разных дорожек дискеты разная, но число записанных импульсов (бит) на дорожку, в общем случае, одинаково и не зависит от номера дорожки.

Стандартные параметры дисководов определяют:

- диаметр дискеты,

- высоту дисковода,

- плотность записи,

- тип интерфейса,

- скорость вращения диска.

Для стандартных FDD PC расположение дорожек и число сторон неизменны, и определяются типом дисковода, а число секторов на дорожку и размер сектора определяются программно, в процессе форматирования дискеты. Поэтому гибкие диски еще называют дисками с программной разметкой секторов (Soft-Sector).

Размер сектора НМД, поддерживаемый системой BIOS, может быть 128, 256, 512 и 1024 байт, но
MS DOS ориентирована на размер сектора только в 512 байт.

Контроллеры дисководов в РС/ХТ и /АТ-286 используют частоту синхронизации 250 КГц (емкость 360 Кбайт), а РС/АТ-386 и выше - 500 КГц.

Дисководы 5.25" могли иметь следующие емкости:

- одинарная плотность - 180 Кбайт (уже не встречается),

- двойная плотность - 360 Кбайт (использовались только в очень старых РС-286),

- высокая (учетверенная) плотность - 1.2 Мбайт.

Дисководы 5,25”, как и дискеты для них, уже сняты с производства и могут встретиться только в очень старых компьютерах; впрочем, дисководы 3,5” уже тоже не перспективны, т.к. вытесняются более емкими, надежными, совершенными устройствами обмена информацией между компьютерами - компакт-дисками, DVD-дисками и дисководами и миниатюрными устройствами флешь-памяти.

Дисководы 3,5" более совершенны, чем 5,25” и могли иметь следующие емкости:

- 720 Кбайт (нормальная) - сейчас уже не встречается,

- 1.44 Мбайт (высокая) - обычная для современных РС,

- 2.44 Мбайт (высшая)- в серию так и не вышел.

Дисководы 5,25" на 360 Кбайт имели скорость вращения дискет 300 об/мин и 40 дорожек на каждую из сторон, дисководы 5,25” на 1.2 Мбайт имеют скорость вращения диска 360 об/мин и содержат по 80 дорожек на каждую сторону. Дисководы 3.5" емкостью 1.44 Мбайт имеют носитель с высокой разрешающей способностью и позволяют размещать 80 дорожек на сторону с 17 секторами на дорожку. При этом линейная плотность записи на таком диске может быть даже выше, чем у некоторых старых жестких дисков с 17 секторами на дорожку.

Так как скорости вращения дискет в дисководах невелики и повреждений головками магнитного покрытия дискет на таких скоростях не происходит, головки в рабочем положении прижимаются к поверхности дискет тарированными пружинками.

Для автоматического опознавания контроллером дисковода допустимой плотности записи на дискетах, в накопителях 3.5" имеется датчик плотности записи, а дискеты на емкость 1,44 Мбайт - специальное отверстие. Датчик дисковода определяет наличие или отсутствие этого отверстия и информирует контроллер о необходимой плотности записи, что определяет тактовую частоту и уровень тока записи в головке.

Совместимость дисководов разной плотности.

При работе на дисководе высокой плотности с дискетой удвоенной плотности возникают проблемы, Связанные с тем, что ширина дорожки на дискете емкостью 1.2 Мбайт вдвое меньше, чем на дискете емкостью 360 Кбайт:

- если дискета отформатирована на дисководе 360 Кбайт и записи сделаны на таком же дисководе, то такая дискета свободно читается дисководом на 1.2 Мбайт;

- если же на эту дискету записывать информацию на дисководе 1.2 Мбайт, то читаться дисководом на
1.2 Мбайт она будет, а дисководом на 360Кбайт нет, так как более широкая головка дисковода 360 Кбайт будет видеть одновременно две смежные дорожки от записи емкостью 1.2 Мбайт, т.е. информацию, записанную на двух соседних дорожках сразу;

- в случаях крайней необходимости записи информации на дисководе 1,2 Мбайт, а чтения дискеты - дисководом 360 Кбайт, нужно использовать чистую дискету, новую неформатированную, или старую, но специально размагниченную, разметить эту дискету на дисководе 1.2 Мбайт, но в формате 360 Кбайт, командой

FORMAT A: /F:360 (для DOS версии 4.0 и выше),

или

FORMAT A: /N/T:40 (для DOS версии 3.3),

т. е. разметить диск в формате 40 дорожек, 9 секторов на дорожку и с уменьшенным током записи; тогда, и только тогда, эта дискета, записанная на дисководе 1.2 Мбайт, будет читаться на дисководе малой плотности.

С дисководами 3.5" таких проблем нет, т.к. все 3.5" дисководы имеют одинаковую ширину дорожек.

Сопряжение НГМД с CPU

Функцию сопряжения FDD с CPU выполняет контроллер, освобождающий CPU от низкоуровневого управления приводом FDD: - включение-выключение шпиндельного двигателя, управление позиционированием головок на требуемый цилиндр, поиск и чтение сектора, перевод информации из параллельного кода в последовательный, и дополнение его синхросигналами при записи, обратная процедура при чтении, формирование интерфейса НГМД и т. д. CPU только управляет контроллером с помощью команд и слов состояния. Такая иерархия упрощает программирование ввода-вывода и повышает общую производительность вычислительной системы.

Связь НГМД с контроллером происходит посредством интерфейса SA-450 (фирмы Shugart Associated).

Среда интерфейса - два кабеля:

- кабель питания и

- кабель данных и управления.

Распределение контактов в разъеме питания следующее:

1 - +12в

2 - общий (0v)

3 - общий (0v)

4 - +5в

Распределение интерфейсных сигналов в разъеме данных и управления НГМД приведено в
таблице 1.6.

Таблица 1.6. Распределение сигналов в разъеме данных и управления НГМД:

КОНТАКТ СИГНАЛ ВХОД/ВЫХОД НАЗНАЧЕНИЕ
со стороны ВЫСОК.ПЛОТН. ДВОЙН.ПЛОТН.
контроллера
1,2 reduced write O уменьшить ток записи резерв
3,4 reserved - резерв загрузить
головку
5,6 drive select 3 O выбор привода 3
7,8 index I индекс (начало дорожки)
9,10 drive select 0 O выбор привода 0
11,12 drive select 1 O выбор привода 1
13,14 drive select 2 O выбор привода 2
15,16 motor on O включить шпиндельный двигатель
17,18 direction select O направление шагов
19,20 step O шаг позиционирования головок
21,22 write data O записываемые данные
23,24 write gate O признак записи
25,26 track 0 I головки на нулевой дорожке
27,28 write protect I защита от записи
29,30 read data I считанные данные
31,32 side select O выбор головки (поверхности)
33,34 discette change I дискета сменена готов

все четные контакты разъема - сигналы интерфейса,
все нечетные - общий (0v)

Рекомендованный разработчиками вариант магистральной связи интерфейса НГМД показан на рисунке 1.11.

+5v
SN7438 (К155ЛА3) -+¬ 744LS14 (К155ЛА11,ЛА18)
-----¬ LT-220 oм ------¬
----¦ & o---------+-- - - - - - - - - - --T-----o 1 ¦--->
----¦ ¦ 330 ом -+¬ ¦ ¦
L----- LT- L------
-+-

Рисунок 1.11. Магистраль связи для НГМД.

Описание сигналов интерфейса RS232C.

Входные от контроллера:

Reduced Write - уменьшить ток записи в головке для амплитудной коррекции, при высокой плотности записи.

Drive Select 0, 1, 2, 3 - выборка дисковода с закоммутированным адресом (номером), соответствующим затребованному. Разрешает выбранному дисководу принимать все остальные сигналы от контроллера и выдавать данные, осведомительные сигналы и состояние - в контроллер.

Motor On - сигнал на включение шпиндельного двигателя. Через секунду после него возможны операции чтения/записи.

Direction Select - при высоком уровне на этом контакте разъема, сигнал STEP перемещает головки в направлении - от центра дискеты к периферии, при низком - от центра, к периферии.

Step - перемещает головку на один шаг позиционирования (на одну дорожку). Длительность сигнала составляет 1 мксек.

Write Data - импульс, длительностью 150 нсек, вызывает запись бита на диск при активном уровне сигнала Write Gate.

Write Gate - признак записи. Разрешает работу канала записи дисковода. Он должен оставаться активным (нижний уровень) в течение 4-8 мксек после последнего записываемого бита данных. Перед поступлением этого сигнала шпиндельный двигатель должен быть включен, а головки прижаты.

Side Select - выбор верхней (при низком уровне SS = L) или нижней (при высоком уровне SS = H) головки (стороны диска).

Выходные от дисковода:

Index - сигнализирует о начале дорожки.

Track 0 - сообщает контроллеру, что головка находится на начальной, нулевой дорожке.

Write Protect - активный уровень сигнала (WP=L) предупреждает контроллер, что запись на дискету запрещена (заклеено окно защиты записи на дискете 5,25", или поднята задвижка защиты записи на 3,5" дискете). При этом запись невозможна и контроллер, при попытке записи, сообщает программе о защите дискеты от записи.

Read Data - выход считанной с дискеты смеси информационных и синхронизирующих сигналов.

Discette Change - используется только в РС/АТ, для сигнализации о проведенной смене дискеты. В РС/АТ копия таблицы FAT дискеты хранится в буфере ОЗУ и используется для поиска нужных секторов. При смене дискеты старая таблица становится недействительной и должна быть считана с дискеты заново.

Формат дорожки НГМД имееет следующую структуру:

| AMS |CRC ams| ПОЛЕ ДАННЫХ | CRC поля Dn | ECC поля данных |

здесь

AMS - адресный маркер сектора в формате: № цил. - № головки - № сектора на дорожке,

CRC ams - циклическая контрольная сумма адресного маркера,

ПОЛЕ ДАННЫХ - содержание информации в секторе,

CRC поля Dn - циклическая контрольная сумма поля данных,

ECC - код исправления ошибок в поле данных.

Контроллер i8272 (отечественный аналог - КР1810ВГ72А) предназначен для чтения, записи, форматирования гибких дисков с одинарной (FM), удвоенной (MFM) и высокой плотностью в формате "IBM SYSTEM 34".

Функционирование контроллера НГМД.

Работа контроллера НГМД, на примере чтения сектора.

Процедура чтения сектора состоит из шести шагов:

1) включение шпиндельного двигателя накопителя, соответствующего запрошенному адресу;

2) выполнение команды поиска сектора и ожидание прерывания от контроллера, указывающего, что сектор найден и информация считана в буфер сектора без ошибок;

3) инициализация контроллера DМА, для пересылки данных из буфера сектора контроллера в оперативную память;

4) посылка команды ЧТЕНИЕ буфера сектора и ожидание прерывания от контроллера, указывающего, что пересылка данных в память завершена;

5) получение информации о состоянии (статусе) контроллера;

6) выключение шпиндельного двигателя.

Подробнее:

1) Посылка от CPU байта с адресом дисковода. Например, 1Сh - включить дисковод А:. Бит 2 = 1 в этой команде указывает, что головки должны остаться на текущей дорожке, если же бит 2 = 0, то требуется выполнить рекалибровку дисковода, т.е. предварительно установить головки на нулевую дорожку.

2) Команда ПОИСК передает байт, в котором указан номер искомой дорожки. После окончания поиска дорожки контроллер инициирует прерывание типа IRQ6 (для АТ), по которому BIOS устанавливает бит 7 статуса поиска = 1 (сектор найден).

3) Инициализация DMA (8237), состоящая из пяти шагов:

- посылка кода чтения 46h, или кода записи 4Ah в порты 0В и 0С DMA;

- вычисление 20-битового адреса памяти буфера в DRAM, куда будут посылаться данные из буфера сектора;

- засылка вычисленного адреса в регистры адреса 04h и страницы 81h канала 2 DMA;

- декремент регистра-счетчика байтов канала 2 (порт 05h) DMA;

- разрешение работы канала 2 DMA (передача байта 02h в порт 0Аh).

Инициализация контроллера DMA переводит его в ожидание данных от накопителя, а драйвер обмена данными с контроллером дисковода (BIOS) должен начать посылку командного файла в контроллер НГМД для пересылки данных.

4) Посылка в контроллер дисковода командного файла ЧТЕНИЕ или ЗАПИСЬ, соответственно. После этого через DMA передаются данные из НГМД в ОЗУ, или наоборот.

5) В фазе контроля, контроллером вырабатывается прерывание и происходит его обработка драйвером BIOS, которая считывает и анализирует байты состояния контроллера по команде ЧТЕНИЕ СОСТОЯНИЯ. Если используются процедуры DOS или BIOS, то байты состояния помещаются в область данных BIOS, начиная с адреса 0040:0042, а байт статуса дискеты сохраняется в адресе 0040:0041.

6) Выключение шпиндельного двигателя происходит через 5 секунд после завершения обмена. Выдержка в 5 секунд нужна, чтобы не проводить заново процедуру включения двигателя, если за это время потребуется новое обращение к НГМД.

Контрольные вопросы.

1. Какие частоты синхронизации используются в FDD?

2. Какую емкость сектора FDD поддерживает MS DOS?

3. Можно ли использовать для чтения/записи на дисководе высокой плотности дискету, отформатированную и записанную на дисководе с удвоенной плотностью записи?

4. Каков порядок поиска нужного сектора на дискете?

5. Какие аппаратно-программные и аппаратные средства РС используются для пересылки считанных с дискеты данных в ОЗУ?

6. Что такое рекалибровка дисковода?

7. Как осуществляется контроль считанной с дискеты информации?

8. Находятся ли в контакте с поверхностью дискеты головки НГМД при чтении/записи?

1.5.2.2) Накопители на жестких магнитных дисках

Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД, HDD,) содержит:

- пакет дисков,

- блок головок чтения/записи,

- привод головок (позиционер),

- плату электроники и интерфейса.

Диски и головки.

Особенность конструкции HDD в том, что диски, головки и позиционер помещены в герметичный бокс, называемый HDA (Head Disk Assembly - сборка жесткого диска) и встроенная в него система циркуляции воздуха содержит наружный и внутренний фильтры, защищающие диски и головки от пыли. Во время работы, НЖМД очень чувствительны к тряске и ударам: микро-аварии головок (кратковременные падения головок на поверхность диска) приводят к неустранимому повреждению магнитного покрытия пластин дисков. По этим причинам разборка HDD, без повреждений накопителя, в неспециализированных условиях практически невозможна.

Воздушная подушка, возникающая при вращении дисков, благодаря аэродинамической форме держателей головок, держит головки над поверхностью дисков на высоте 2-5 мкм, т. е. головки не находятся в контакте с диском, что, вместе с защитой от пыли, позволяет использовать плотность записи в 20 - 30 раз большую, чем на дискетах.

Головки НЖМД по технологии их изготовления могут быть композитными, ферритовыми или тонкопленочными. Первые - тяжелее, обеспечивают зазор между головками и поверхностями дисков в 10-20 микродюймов, сравнительно дешевы, позволяют достичь плотности записи в 1500 TPI. Тонкопленочные - используют специальный полупроводниковый кристалл; они легче, допускают зазор до 6 микродюймов и позволяют достичь плотности записи до 2000 TPI и больше.

Позиционер.

Позиционеры в НЖМД ранее использовались двух типов: с шаговым двигателем (ШД) и с соленоидным приводом (СП), последний называется также позиционером с подвижной катушкой.

Сравнительные характеристики дисководов с шаговым и соленоидным приводами приведены в таблице 1.7.

Таблица 1.7. Сравнительные характеристики дисководов с шаговым и соленоидным приводами.

ПАРАМЕТР ШД СП

скорость позиционирования малая высокая
чувствительность к темпе-
ратурным изменениям высокая нет
чувствительность к ориен-
тации дисковода высокая нет
автопарковка головок нет есть
обслуживание периодическое нет
надежность малая хорошая
сложность малая высокая
стоимость низкая высокая.

Система с шаговым двигателем - система "открытого управления": сколько выдано сигналов ШАГ, столько и выполнено перемещений головок по цилиндрам. Считается, что головки автоматически точно устанавливаются на дорожки, но, при изменениях температуры, диски сжимаются или расширяются, поэтому позиционирование получается не вполне точным, следовательно, чтение - не вполне устойчивым, особенно при включении холодной системы. В настоящее время жесткие диски с шаговым двигателем не выпускаются и их можно встретить только в очень старых компьютерах типа IBM-286.

Соленоидный привод, вследствие существенных преимуществ перед приводом с ШД, что хорошо видно из приведенной выше таблицы 1.7, начал применяется в накопителях, емкостью более 100 Мбайт и используется во всех современных жестких дисках.

Накопитель с СП имеет специальный сервопривод, следящий за тем, чтобы головка устанавливалась точно на цилиндр. Для этого одна из поверхностей пакета дисков (служебная) содержит специальную информацию, записанную уже на заводе-изготовителе, и не участвует в запоминании данных, не форматируется и не может быть восстановлена после повреждений. Эта поверхность называется DSS (Dedicaded-Servo-Surface) и содержит также индексные метки, соответствующие цилиндрам и секторам диска.

В некоторых типах дисков, сервоинформация пишется в процессе форматирования просто между дорожками. Дисководы с выделенной поверхностью - более быстродействующие и позволяют большие плотности TPI, а с сервоинформацией, встроенной между информационными дорожками имеют большую надежность хранения информации в условиях колебаний температуры, когда взаимные размеры служебного и рабочих дисков могут изменяться.

Соленоидная система привода - это система "с замкнутой петлей управления". Сервосистема, имея 100% отрицательную обратную связь, постоянно следит за положением головок относительно дорожек и корректирует его в процессе работы.

Парковка головок дисководов с соленоидным приводом - пружинная, а дисководов с ШД электрическая, что, в последнем случае, требует автономных источников тока (накопительных емкостей) питания привода для парковки головок при нештатных отключениях питания.

Плата электроники.

Плата электроники, называемая иногда интерфейсной платой, содержит:

1) схемы управления шпиндельным двигателем,

2) схемы управления позиционером,

3) тракт чтения информации с диска,

4) тракт записи информации на диск,

5) элементы конфигурирования дисковода,

6) формирователи сигналов от датчиков ИНДЕКС, TRACK-0,

7) схемы сопряжения электроники диска с интерфейсом дисковой системы по уровням, логике и т.д.,

8) разъемы для подключения компонент накопителя, интерфейса связи с адаптером дисков и питания.

Для выработки сигналов INDEX и TRACK-0, в HDD нет оптических датчиков, как в FDD, а используются специальные индексные дорожки. После включения питания и разгона шпиндельного двигателя ищется служебная дорожка "-1", устанавливается внутренний счетчик цилиндров, головки перемещаются на цилиндр 0 и сигнал TRACK-0 передается через интерфейс контроллеру. Индексная "дорожка -1" содержит специальную метку для опознания дорожки именно как "-1".

Эксплуатационные характеристики HDD.

Номенклатура HDD включает много типов дисководов, отличающихся:

- максимальной емкостью,

- интерфейсом,

- форм-фактором (физическими размерами),

- быстродействием,

- надежностью,

- стоимостью.

Емкость жестких дисков бывает от 20 Мбайт до 80 Гбайт и выше. Дисководы емкостью более 100 Кбайт имеют всегда соленоидный привод и специальное покрытие дисков - напыление магнитного слоя особой структуры, и, тем самым, отличаются повышенными допустимыми продольной и поперечной плотностями записи.

Быстродействие дисковода определяется временем произвольного доступа к информации и зависит от организации хранения данных на диске, скорости вращения пакета дисков и скорости позиционирования головок.

Время доступа к информации на диске складывается из:

1) времени установки головок на требуемый цилиндр и времени успокоения позиционера;

2) времени ожидания подхода искомого сектора к головкам;

3) времени чтения информации с найденного сектора;

4) скорости передачи данных из буфера сектора в DRAM компьютера.

Среднее время установки головок составляет:

для РС/ХТ - 40 - 65 мсек,

для РС/АТ - 28 -40 мсек,

для РС386 - 12 - 20 мсек.

Скорость передачи данных определяется, главным образом, применяемым методом кодирования (FM, MFM, RLL), используемым интерфейсом, наличием буферов данных и их объемами.

Максимальная скорость считывания данных вычисляется как

Vmax = w * N * n * m,

где
w - скорость вращения шпиндельного двигаткля,
N - число секторов на дорожку диска,
n - емкость сектора (количество байтов в секторе),
m - число бит в байте.

Если принять распространенные значения: w = 3600 об/мин, n = 512 байт, m = 8, тогда скорость считывания данных будет определяться количеством секторов на дорожку данного диска

Так, накопитель с 17 секторами на дорожку должен иметь скорость передачи 4.177.920 бит/сек. Реально эту скорость достичь не удается, так как нужно время и для запоминания информации в ОЗУ РС, а пока контроллер и ПДП (или CPU) заняты передачей информации из буфера сектора в ОЗУ, диски продолжают вращаться, так что к концу передачи информации, считанной с предыдущего сектора, следующий сектор бывает уже недоступен (пройден идентификатор следующего сектора) и для чтения требуемого сектора придется ждать еще один оборот диска. Для РС/АТ ранних моделей без прокрутки лишнего оборота мог быть передан только каждый третий сектор, а для РС/ХТ только пятый.

Преодолеть этот недостаток позволяет прием, называемый фактором чередования секторов (Interleave). Смысл его в том, что физические сектора нумеруются (присваиваются адреса) не подряд, а так, чтобы к моменту окончания передачи считанных данных сектора, к головке подходил сектор со следующим по порядку адресом.

Например, при чередовании 3:1 сектора нумеруются в следующем порядке: 1, 7, 13, 2, 8, 14, 3, 9,15, 4 и т. д. Так что, пока контроллер обрабатывает данные из сектора 1, секторы 7 и 13 пройдут мимо головок и к считыванию будет готов сектор 2 и т. д. Выбор фактора чередования (а он устанавливается программно, во время низкоуровневого форматирования диска и записывается как один из параметров конфигурации HDD), должен быть проведен с учетом:

- быстродействия HDD,

- быстродействия контроллера,

- скорости обработки ввода CPU,

- наличия и скорости работы контроллера ПДП.

Вручную все это учесть достаточно сложно, но помогают некоторые программы тестирования из DOS и NU: CALIBRATE, ROM Diagnostic и др.

Важным, с точки зрения возможности установки HDD в корпусе РС, является форм-фактор:

- 5.25" полной высоты (82 мм), сейчас такие диски уже не выпускаются, но в компьютерах, выпущенных в 80 - 90 годы еще встречаются,

- 5.25" половинной высоты (41 мм),

- 3.5" половинной высоты.

Интерфейсы связи НЖМД с контроллером.

Средство связи HDD с контроллером, интерфейс, должен быть строго согласован для обоих этих устройств. В основном используются следующие типы интерфейсов:

ST-506 - с FM-кодированием, очень устаревший, использовался для РС/ХТ;

ST-506/412 - с MFM-кодированием. Этот интерфейс обладает свойством буферизованного (быстрого) поиска. Его достоинство в том, что он имеет встроенные средства автоконфигурирования и может автоматически изменять тип и параметры диска: число головок, номер цилиндра прекомпенсации, зону парковки головок.

Строго говоря, физические параметры, такие, как количество цилиндров (количество дорожек на каждой из поверхностей диска - определяется диаметром диска и шагом позиционера, управляемого от ШД или служебной поверхности DSS), количество головок (рабочих поверхностей пакета дисков), зона парковки головок, емкость неформатированного диска - неизменны и изменены быть не могут. Но для контроллера эти параметры могут быть и переопределены. Так число головок может быть условно увеличено за счет уменьшения числа дорожек, зона парковки при этом тоже изменится (оставаясь физически той же, самой близкой к центру, еще доступной позиционеру). Начальный цилиндр прекомпенсации при этом тоже изменится, но физически опять-таки оставаясь тем же;

IDE (AT BUS) - достаточно современный скоростной интерфейс, самый популярный до недавнего времени;

ST-412/RLL - интерфейс уже устаревший, но RLL-кодирование (Run Length Limited) поддерживает высокую продольную плотность записи (RLL 2,7 - максимальное число неперемагничивающихся элементарных ячеек носителя - 2 из 7). Способы кодирования FM и MFM тоже могут считаться разновидностями RLL: FM = RLL 0,1; MFM = RLL 1,3.

ESDI - вполне современный интерфейс, использует MFM- или RLL-кодирование и очень многие HDD выпускаются именно с этим интерфейсом;

SCSI - относительно новый тип интерфейса, весьма перспективный, поддерживает технологию P&P (Plug and Play - подключил-и-работай), но требует, чтобы HDD имел встроенный SCSI-контроллер, а сам контроллер шины SCSI является только HOST-адаптером, ведущим, выполняющим функции управления исполнительными контроллерами, которые находятся непосредственно в УВВ, и решает задачу стандартного сопряжения со всеми ведомыми УВВ.

Каждый из приведенных здесь интерфейсов требует, для соединений диска с контроллером (адаптером), своих шлейфов, отличающихся количеством проводов, типом используемых разъемов и даже - числом соединительных шлейфов. Полезно знать их разновидности:

Контроллер число проводов и шлейфов

ST506/412 34 управляющего и 20 - данных (два шлейфа)

ESDI 34 управляющего и 20 - данных (два шлейфа)

Адаптер

IDE 40

SCSI 50

Контрольные вопросы.

1. Как обеспечивается необходимый для работы дисковода зазор между головками чтения-записи и поверхностью диска в НЖМД?

2. В каких условиях можно разбирать Head Disk Assembly НЖМД?

3. Какие меры предосторожности следует принимать для защиты НЖМД от микроаварий головок?

4. Какие типы приводов головок используются в НЖМД?

5. В чем состоят достоинства и недостатки соленоидного привода головок НЖМД?

6. Для чего служит сервоповерхность пакета дисков НЖМД?

7. Из чего складывается время доступа к информации на диске?

8. Что такое фактор чередования секторов и как он влияет на производительность дисковой
системы РС?

9. В чем достоинства SCSI-интерфейса?

1.5.2.3) Устройства массовой памяти на сменных носителях

К устройствам массовой памяти на сменных носителях относят устройства, имеющие емкость, значительно превышающую емкость обычных дискет. Эти устройства предназначены для архивации данных, или для переноса больших объемов информации с одного компьютера на другой. В зависимости от назначения, такие устройства выполняются внутренними или внешними, стационарными или портативными. Большинство этих устройств имеют интерфейс SCSI или ATA. Портативные устройства часто имеют интерфейс подключения к параллельному порту, что облегчает их подключение к любому компьютеру, но приводит к проигрышу в скорости передачи информации и к повышенной нагрузке процессора при обмене данными. Устройства на сменных носителях, как дисковые, так и ленточные, могут и не иметь поддержки на уровне ROM BIOS, при этом доступ к ним становится возможным только после инсталляции специальных драйверов.

Сменные накопители на жестких дисках.

Накопители на жестких магнитных дисках могут иметь различные уровни сменяемости. НЖМД обычно устанавливается в компьютер надолго, и для его смены требуется частично разбирать системный блок. Существуют и специальные накопители, допускающие "горячую" замену (Hot Swap) без отключения питания и специальный конструктив, позволяющий снимать и устанавливать их прямо с лицевой панели, не разбирая системного блока. Выпускаются недорогие переходники типа Mobile Rack, позволяющие использовать, в качестве съемного, обычный АТА-диск, но следует иметь в виду, что обычные накопители все-таки боятся тряски и ударов, опасность которых при их переноске сильно повышается. Поэтому, больший интерес представляют накопители со съемными носителями.

Диски Бернулли.

Диски Бернулли (Bernoulli Removable Media Drive) используют 3,5" гибкие диски в жесткой кассете, объемом 35 - 150 Мбайт. При вращении диска со скорость 3600 об/мин возникает эффект Бернулли (воздушная подушка), поддерживающий головки на минимальной высоте от носителя, без непосредственного контакта с его поверхностью, подобно обычным НЖМД. По скоростным характеристикам, они близки к обычным НЖМД, а кассета устойчива к внешним воздействиям. Используются интерфейсы IDE, SCSI, или LPT-порта.

Кассетные жесткие диски.

Кассетные жесткие диски (SyQuest Removable Media Drives) используют специальные 5,25", 3,5" и 1,8" картриджи с жесткими дисками и, по скоростям обмена, они сравнимы с дисками Бернулли. Кассеты имею большую емкость, но более чувствительны к пыли, ударам и другим внешним воздействиям.

Гибкие магнитооптические диски.

Гибкие магнитооптические диски (Floptical Drives) представляют собой 3,5" диски сверхвысокой плотности и могут иметь емкости порядка 20 Мбайт (755 дорожек, 27 сект/дор по 512 байт/сектор). Высокая поперечная плотность записи в них достигается применением лазерной системы позиционирования головок. Скорость вращения диска 720 об/мин, интерфейс SCSI, ATA или специальный адаптер, позволяющий использовать их в качестве дисковода А: Накопитель совместим и с обычными 3,5" дискетами 720 Кбайт, 1,44 Мбайт, а с 2,88 Мбайт- только по чтению. Современные устройства LS-120 (Laser Servo 120 Мбайт) имеют емкость дискеты 120 Мбайт, по 1736 треков на каждой стороне с зонным форматом записи. Устройство использует интерфейc ATAPI и логическую геометрию - 960 цилиндров, 8 головок по 32 сектора на дорожку. Лазерное позиционирование позволяет использовать до 900 сервотреков. Накопитель существенно дешевле специальных магнитооптических устройств, но его удельная стоимость на единицу информации гораздо выше. Новые версии BIOS имеют поддержку этих LS-накопителей и позволяют включать их в последовательность загрузочных устройств.

Магнитооптические диски.

Магнитооптические диски (МОD - Magneto-Optical Drives), лазерную оптику используют в процессе магнитной записи. В них существенно уменьшен размер перемагничиваемых зон, потому что при записи зона перемагниченности определяется не шириной зазора магнитной головки, а только размером точки носителя, разогретой в данный момент лазерным лучом. Эти диски устойчивы даже к сильным внешним магнитным полям. Их емкость составляет от 128 Мбайт до 2,6 Гбайт. Устройства имеют интерфейс SCSI, или IDE и различаются плотностью размещения треков, методами модуляции - PWM (Pulse Width Modulation - широтно-импульсная модуляция), РРМ (Pulse Position Modulation - позиционно-импульсная модуляция), RLL 2.7 или RLL 1.7. Форматирование МОD на верхнем уровне может выполняться в стиле дискет или в стиле НЖМД. В первом случае, диск представляется в виде очень большой дискеты, в нулевом логическом блоке которой имеется программа-загрузчик (IPL) и дескриптор носителя, без таблицы разделов (Partition Table). При форматировании в стиле НЖМД, диск начинается с таблицы разделов и для ОС выглядит как жесткий диск, который, в случае SCSI-интерфейса может обслуживаться BIOS HOST-адаптера без всяких дополнительно инсталлируемых драйверов. Это позволяет загружать ОС с МОD, но не всякая ОС может верно отреагировать на смену носителя. Это может привести к потере данных, если ОС, после смены носителя, не обновит дескриптор носителя и FAT. Кстати, смена носителей в системе Macintosh иная, чем в IBM РС, поэтому накопители МОD с интерфейсом SCSI имеют переключатель "Mac-PC”, который должен быть установлен корректно. Форматирование МОD занимает до получаса, поэтому имеет смысл приобретать уже предварительно отформатированные диски.

Накопители на компакт-дисках.

Накопители CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory) используются в РС, в основном, для распространения и хранения дистрибутивных SOFT-продуктов, так как их емкость (до 650 МБ) и надежность хранения данных намного превышают те же показатели магнитных дискет. Параметры, приводимые в документации на CD-ROM-дисководы, характеризуют, в основном, их производительность, которая зависит от времени доступа, скорости передачи данных, наличия и емкости внутренних буферов и типа используемого интерфейса.

Дисководы CD-ROM по устройству напоминают НГМД, но имеют более сложную головку считывания. Головка состоит из лазерного излучателя, фотоприемника и зеркала, закрепленных на подвижной каретке. На той же каретке, на качающейся подвеске находится фокусирующая линза, управляемая подвижной катушкой. Привод подвески линзы, под управлением контроллера, встроенного в накопитель, обеспечивает точную фокусировку лучей оптической системы. При юстировке оптической системы, линза устанавливается параллельно плоскости диска с помощью регулировочных винтов на каретке. Механика привода достаточно проста, но неаккуратная чистка этой пластмассовой линзы может оставить на ее поверхности микроскопические царапины и тогда считывание данных с диска станет неустойчивым. Существуют дисководы с самоочищающимися линзами (Self-cleaning lenses) и для защиты от пыли могут иметь двойные пылезащитные шторки (Drive Sealing).

Наиболее простые дисководы имеют механизм лоточной подачи дисков, но при этом диск приходится брать руками; при этом диск можно уронить, испачкать, или поцарапать. В более совершенных накопителях (Caddy Type) компакт-диск укладывается в специальную защитную кассету типа 3,5”-дискеты и эта кассета просто вставляется в накопитель. Это предохраняет диски от случайного повреждения и позволяет загружать их в дисковод в любом положении. При частой смене дисков желательно иметь несколько таких кадди-кассет и даже прямо в них хранить архивные диски.

Накопители CD-ROM имеют форм-фактор соответствующий 5,25" дисководу половинной высоты.

Для компактных вариантов компьютеров существуют и малогабаритные накопители, размещающиеся прямо в корпусах Lap-Top или Note-Book.

Минимальной адресуемой единицей информации на диске является сектор, могущий содержать 2048 байт данных, защищенных от ошибок ECC-кодом, или 2324 (2336) незащищенных байт аудио/видео информации. Последовательность секторов одного назначения (формата) объединяется в трек. Минимальный размер трека - 300 секторов, максимальный - весь диск, на диске может быть до 99 треков. Начальный трек хранит информацию об организации диска (VTOC - Volume Table Of Contents).

Время доступа к данным на CD-ROM определяется так же, как и для жестких дисков. Оно равняется времени задержки между получением команды на поиск данных и моментом считывания первого бита данных. Это время для восьмискоростного (8х) CD-ROM составляет 100 мсек. и, в общем случае, уменьшается с увеличением скорости вращения диска. Напомним, что запись на CD-ROM происходит всего на одну спиральную дорожку длиной более 5 км (221188 витков с поперечной плотностью записи около 600 витков/мм). Продольная плотность записи не зависит от радиуса витка, потому что угловая скорость вращения диска изменяется от витка к витку так, чтобы линейная плотность записи оставалась постоянной на протяжении всей спирали.

Первые накопители имели собственные интерфейсы Sony, Panasonic, Mitsumi - по именам их производителей. Все эти интерфейсы напоминают 8-битовый вариант шины АТА, но несовместимы ни с ней, ни друг с другом, и требуют специальных драйверов, соответствующих типу дисковода. Современные CD-дисководы выпускаются с интерфейсами SCSI и АТА (ATAPI), и поддержку CD-ROM часто встраивают в BIOS. При этом, для устройства АТА, тип диска указывать не нужно, он будет опознан автоматически. В дисковый сервис Int13h введены новые функции, позволяющие для накопителя CD-ROM эмулировать дискету или жесткий диск LBA, а также загружать ОС с CD-ROM. Спецификация загружаемого диска позволяет создавать на CD образ системной дискеты 1,2 Мбайт, или 1,44 Мбайт, или образ жесткого диска, с которых может быть загружена ОС.

Для подключения накопителей CD-ROM к системе, используются, в основном, три разновидности интерфейсов:

- SCSI/ASPI (Small Computer System Interface/ Advanced SCSI Programming Interface);

- IDE/ATAPI (Integrated Drive Electronics/ AT Attachment Packet Interface);

- специализированные, "фирменные" интерфейсы.

Взаимодействие между CD-ROM и HOST-адаптером SCSI, а также другими совместимыми устройствами, осуществляется с помощью стандартного программного интерфейса ASPI. Он состоит из двух частей:

1) программы-драйвера ASPI-Manager, обеспечивающей взаимодействие HOST-адаптера SCSI с операционной системой и общее взаимодействие устройств с шиной SCSI;

2) входящих в систему ASPI драйверов для отдельных подключаемых к интерфейсу устройств. С помощью каждого из индивидуальных драйверов организуется взаимодействие периферийного устройства с основным (HOST) SCSI-адаптером и программой ASPI-Manager.

SCSI/ASPI наиболее подходящий интерфейс для CD-ROM. Он позволяет добиться высокой производительности системы и подключать к HOST-адаптеру 7 и более дисководов, но SCSI-интерфейс достаточно дорог, и если не планируется подключать к шине SCSI никаких других периферийных устройств, кроме накопителя CD-ROM, более рационально - установить интерфейс IDE/ATAPI.

IDE/ATAPI является дополнением к интерфейсу АТА (АТ Attachment), к которому обычно подключаются НЖМД. Строго говоря, ATAPI - это стандартный программный расширенный интерфейс для накопителей CD-ROM, который преобразует команды SCSI/ASPI к стандарту IDE/ATA. Он позволяет быстро приспособить новые модели дисководов к работе с интерфейсом IDE и сохранить совместимость IDE-накопителей CD-ROM с программой MSCDEX, обеспечивающей их взаимодействие с DOS. В Windows имеется драйвер для CD-ROM - CDFS VxD (CD File System Virtual Device). Дисководы ATAPI иногда называют расширенными IDE-накопителями (Enhanced IDE), поскольку в них используется одноименный интерфейс (электрически - АТА).

В большинстве случаев IDE/ATA-накопители CD-ROM подключаются ко второму разъему (каналу) интерфейса, а первый - используется для НЖМД. Во многих современных звуковых платах также устанавливаются драйверы ATAPI и специальные разъемы для подключения CD-ROM, но к одному вторичному IDE-разъему можно подключить не более двух дисководов CD-ROM, иначе - лучше использовать SCSI.

Существуют и другие немаловажные для эксплуатации CD-ROM факторы, такие как:

- пылезащищенность;

- автоматическая очистка линз;

- тип накопителя - внешний, или встраиваемый в РС.

Пылезащищенность важна для CD-ROM, как ни для одного из других устройств РС, так как пыль и грязь, попадающие в оптическую систему или механизм накопителя, приводят, в лучшем случае, - к снижению быстродействия системы (при ошибках чтения потребуются повторные поиск и чтение секторов), а то и к потере читаемости дисков. В некоторых накопителях узлы оптической системы размещаются в специальных герметизированных отсеках, а в других - используются своеобразные "шлюзы" из заслонок (внутренней и внешней). Для чистки линз оптической системы CD-ROM можно воспользоваться специальным чистящим диском, но некоторые современные модели накопителей CD-ROM имеют собственное, встроенное устройство для автоматической чистки линз от пыли.

Дисководы CD-ROM выпускаются в двух исполнениях: внешний дисковод, и дисковод, встраиваемый в системный блок. Внешний тип накопителя более прочен, чем встраиваемый, но он больше по габаритам и занимает отдельное место на столе. Такой тип следует выбирать, если в системном блоке РС нет свободного отсека для установки CD-ROM-накопителя, или недостаточен запас мощности источника питания (внешний накопитель имеет собственный источник питания), или один и тот же накопитель планируется подключать по очереди к нескольким компьютерам. Если в каждом из них уже установлен свой HOST SCSI-адаптер, то достаточно отсоединить разъем накопителя от одного РС и подключить к другому. Если подобных требований нет, то лучше использовать встроенный накопитель. Дополнительное удобство встроенного накопителя состоит в том, что его можно подключить к внутреннему разъему звуковой карты, а внешние разъемы шины использовать для других целей.

Записываемые оптические диски (CD-R), уже при изготовлении, имеют нанесенную ровную спиральную дорожку, по которой позиционируется записывающая головка. В отличие от магнитных и магнитооптических дисков, обеспечивающих произвольный доступ к искомой дорожке, как по чтению, так и по записи, на CD-R непрерывным потоком может быть записан только целый трек оптического диска. Так что по записи, CD-R является устройством с последовательным доступом. По утверждению изготовителей, время жизни записанных дисков CD-R составляет 75 лет - для "зеленых" и 100 - лет для "золотых" дисков. Однако срок хранения диска до записи составляет всего 5-10 лет. В обозначении модели дисковода указываются его параметры: скорость записи, скорость считывания и объем буфера. Так, например, модель CDR-102 (2x4/512K) имеет скорость записи 2х (2х150=300 Кбайт/сек), скорость считывания 4х и объем буфера 512 Кбайт. Время наработки на отказ у CD-R значительно меньше, чем у CD-ROM. Время доступа к данным у CD-R больше, а скорость считывания ниже, чем у CD ROM из-за более сложной и тяжелой головки. Поэтому использовать CD-R - как CD-ROM, для регулярной работы, нецелесообразно.