Накопители на гибких магнитных дисках

Дисководы (Floppy Disk Drive, FDD) являются старейшими ПУ РС. Конструктивно FDD состоит из большого числа механических элементов и малого числа электронных, поэтому для надёжной работы дисковода в значительной степени необходима устойчивая работа механического привода.

В дисководе имеется четыре основных элемента:

- рабочий двигатель;

- рабочие головки;

- шаговые двигатели;

- управляющая электроника.

Двигатель включается только тогда, когда в дисковод вставлена дискета. Он обеспечивает постоянную скорость вращения дискеты (для 3,5”FDD – 300 об/мин). Для запуска двигателю необходимо в среднем 400мс.

Дисковод оснащается двумя комбинированными головками, которые располагаются над рабочей поверхностью дискеты. Т.к. обычно дискеты являются двусторонними, т.е. имеют две рабочие поверхности, то одна головка предназначена для верхней, а другая – для нижней поверхности диска.

Позиционирование головок выполняется при помощи двух двигателей. Они издают характерный звук при включении ЭВМ – перемещают головки для проверки работоспособности привода.

Электронные схемы дисковода чаще всего размещается с его нижней стороны. Они выполняют функции передачи сигналов к контролёру, т.е. отвечают за преобразование информации, которую считывают или записывают головки.

В качестве носители информации для приводов FDD служит дискета. Дискета состоит из двух частей: магнитного диска и защитного конверта, в который этот диск помещён.

На заре компьютерной эры применялись дискеты формата 8 дюймов (203мм), ёмкость такого диска была 1Мбайт. В настоящее время существует только два формата дискет: 5,25”(133мм) и 3,5”.

Дискеты размером 5,25” имеют два больших недостатка:

- их легко повредить, что приводит к потере информации;

- они имеют небольшую ёмкость (360кбайт).

Поэтому дискеты такого формата практически не используются.

Более подробно остановимся на рассмотрении дискеты 3,5”.

Трёхдюймовая дискета помещена в жесткий конверт, который хорошо защищает магнитный диск. Вырез в корпусе для доступа головок чтения/записи закрыт металлической или пластиковой задвижкой, что защищает рабочую поверхность диска от попадания пыли. Эта задвижка открывается автоматически только в том случае, если дискета вставлена в дисковод.

Один угол дискеты срезан таким образом, что диск начинает вращаться только тогда, когда он правильно вставлен в дисковод.

Трёхдюймовая дискета снабжена отверстием со скользящей пластиковой задвижкой. Если задвижка закрывает отверстие, то возможно чтение, запись и форматирование диска; если не закрывает – дискета защищена от записи.

Повышение износостойкости центрального кольца магнитного диска, который служит для обеспечения более точного позиционирования гибкого диска на шпинделе дисковода, достигается за счет использования металлического кольца.

На трёхдюймовой дискете можно хранить 1,44Мб или 2,88Мб информации. Это является результатом использования улучшенного магнитного покрытия, улучшения конструкции и совершенствования способа записи данных на диск.

Трёхдюймовые дискеты со сверхвысокой плотностью записи, обеспечивающие хранение информации до 2,88Мб, требуют использования специального дисковода. Т.к. для записи на ее магнитное покрытие требуется более сильное магнитное поле, а при чтении информации нужно использовать специальную схемотехнику для обработки нестандартных сигналов, поступающих от ее головки чтения. Основу магнитного слоя таких дисков составляет феррит бария, а само покрытие – толще. Это позволяет использовать метод вертикальной записи, при которой магнитные домены оказываются ориентированными в вертикальной, а не в горизонтальной плоскости. Они располагаются компактно, вследствие чего достигается более высокая плотность записи.

Логическая структура дискеты

Для записи и чтения информации необходимо разбиение диска на определенные участки, то есть нужно создать логическую структуру.

На только что изготовленной дискете ничего не хранится. DOS не может использовать такой диск. Прежде всего, следует произвести две операции. Первая из них – физическое форматирования диска; вторая – логическое форматирование.

Первой операцией, которую необходимо провести на новом диске, является операция разметки, выполняемая посредством записи «пустых» секторов на все места, куда предполагается записывать информацию. Совокупность всех секторов, расположенных на одинаковом расстоянии от оси вращения диска, представляет собой дорожку, или трек. Дорожки представляют собой концентрические кольца. Число секторов на дорожке меняется в зависимости от емкости диска.

Количество байт, которое может быть записано в сектор, произвольно. Для DOS эта величина составляет 512. Емкость дискеты вычисляется при помощи следующей формулы:

Емкость = число сторон * дорожек на стороне *

секторов на дорожке * байтов в секторе.

Для дискеты 3,5 формула имеет вид:

1474560 байт=2*80*18*512.

Второй шаг в подготовке дискеты заключается в ее логическом форматировании, которое заключается в записи определенной информации, необходимой операционной системе для работы с этим диском, в некоторые из созданных на предыдущем этапе секторов. При логическом разбиении дисков ОС разделяет их на две части:

- системная область;

- область данных.

В системной области выделяют:

1 – раздел загрузки;

2 – сведения о распределении дискового пространства;

3 – раздел корневого каталога;

4 – объем диска не затронутый логическим форматированием;

5 – сектор загрузки ОС;

6 – резервные сектора;

7 – корневой каталог.

Блок начальной загрузки

В самом первом секторе любого диска (гибкого или жесткого) любая операционная система хранит блок начальной загрузки. Каждый блок начальной загрузки содержит небольшую таблицу данных, в которой хранится информация о размере данного дискового устройства и некоторая другая информация. Большую часть блока начальной загрузки занимает программа, используемая для запуска компьютера, если этот диск является загрузочным или системным.

Таблица данных блока начальной загрузки ОС, называемая также блоком параметров BIOS, содержит существенно важную информацию об этом диске, необходимую ОС. Эта информация включает в себя число байт в секторе, общее количество секторов на диске, число копий FAT, количество секторов в FAT, количество секторов в корневом каталоге, а также некоторые другие параметры этого диска. Таблица содержит информацию о том, сколько места остается на диске для хранения данных.

Область данных

Область данных представляет собой то место, где ОС хранит данные пользователя. При обмене данными с диском лучше, чтобы операции чтения/записи выполнялись с достаточно большими фрагментами. И поскольку такой способ существенно повышает эффективность работы DOS, каждые 512 байт данных объединяются в пакет, называемый блоком и посылаются одновременно. DOS использует логические номера секторов для адресации любой информации на диске. DOS начинает нумерацию логических секторов на дисковом устройстве с единицы. Однако, на другом уровне, при адресации файлов, записанных на диск, DOS использует другую стратегию. В этом случае используется другой, иногда, больший блок данных, называемый кластером. Кластер представляет собой объединение нескольких секторов данных (которые фактически содержат последовательные блоки данных в отдельном файле). Кластер является минимальной по размеру единицей логического пространства диска, которую DOS может отвести конкретному файлу для хранения данных.

Таблица размещения файлов (fat)

FAT является основной структурой, посредством которой ОС контролирует, кто и каким образом использует область данных логического диска. FAT представляет собой огромную таблицу чисел, каждое из которых является адресом отдельного кластера. Эти адреса присваиваются последовательно всем кластерам логического диска, начиная с номера 2, который присваивается первому кластеру, расположенному за корневым каталогом. В FAT каждому кластеру соответствует запись, в которой содержится информация для ОС о его текущем состоянии.

Если в FAT записана нулевая величина, то соответствующий кластер в настоящее время не используется и доступен. Если в записи содержится величина «конец файла» (EOF), то это значит, что данный кластер используется, и что это последний кластер в последовательности кластеров данного файла. Третья предопределенная величина, которая может храниться в записи FAT, свидетельствует о том, что этот кластер «плохой», то есть не гарантирует надежного хранения информации. Любая другая величина в записи FAT означает, что данный кластер используется файлом для хранения информации и что продолжение данных этого файла содержится в другом кластере, адрес которого находится в данной записи FAT.

Файлы, записываемые в FAT, могут быть нефрагментированными и фрагментированными. В нефрагментированных файлах данные располагаются в последовательных кластерах. Содержимое фрагментированных файлов располагаются в кластерах, номера которых не образуют непрерывной последовательности.

Необходимо проводить дефрагментацию дисков для ускорения работы с ними.

В зависимости от емкости диска длина элементов FAT составляет 12, 16 или 32 бит. Чем длиннее элемент FAT, тем за большим числом кластеров может следить ОС и, следовательно, работать с дисками большей емкости. В случае гибких дисков длина элементов FAT равна 12 битам, а для жестких дисков – 16 или 32.

Корневой каталог

Корневой каталог является частью системной области для всех форматов FAT, кроме FAT 32. Этот формат выводит корневой каталог из системной области и рассматривает его как простой подкаталог. Для каждого файла имеется элемент каталога, который содержит имя файла из восьми символов, трехсимвольное расширение имени файла, размер файла, а также информацию о дате и времени последнего изменения файла.

На больших жестких дисках хранится множество файлов. Их слишком много для того, чтобы можно было разобраться в их именах, если бы они все были записаны в одном месте. Поэтому ввели понятие подкаталога. Понятие охватывает файлы, на которые имеются ссылки в записях корневого каталога (или других каталогов), но их содержимое рассматривается как список дополнительного каталога файлов.

Кроме того в элементе каталога записываются номер начального кластера файла и атрибуты файла, которые применяются для регистрации характеристик файла.

Для каждого типа диска размер корневого каталога фиксирован. Каждый элемент каталога имеет длину 32 байта, в одном секторе размещаются 16 элементов. На гибком диске формата 3,5 для корневого каталога выделено 14 секторов, в которых может быть записана информация о 224 файлах (16*24=224). На жестких дисках для корневого каталога обычно выделяются 32 сектора.