Накопитель на гибких магнитных дисках

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «НГМД»)
Перейти к: навигация, поиск
Floppy Disk Drives 8 5 3.jpg

Накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy disk drive) — дисковод, предназначенный для считывания и записи информации с дискеты.

Приводы (позиционирования головок и вращения) и система считывания-записи управляется электронной схемой, размещённой на печатной плате, которая находится внутри корпуса дисковода. В отечественной терминологии система управления называлась КНГМД — контроллер накопителя на гибких магнитных дисках.

Накопители гибких дисков, равно как и сами носители — дискеты, были массово распространены с 1970-х и до конца 1990-х годов. В XXI веке НГМД всё сильнее уступают более ёмким CD, DVD и удобным в использовании флеш-накопителям.

История[править | править вики-текст]

  • 1967 год — Алан Шугарт возглавлял команду, которая разрабатывала дисководы в лаборатории фирмы IBM, где были созданы накопители на гибких дисках. Дэвид Нобль (англ. David Noble), один из старших инженеров, работающих под его руководством, предложил гибкий диск (прообраз дискеты диаметром 8″) и защитный кожух с тканевой прокладкой.
  • 1971 год — фирмой IBM была представлена первая дискета диаметром в 8″ (200 мм) с соответствующим дисководом.
  • 1973 год — Алан Шугарт основывает собственную компанию Shugart Associates.
  • 1976 год — Финне Коннер (англ. Finis Conner) пригласил Алана Шугарта принять участие в разработке и выпуске дисководов с жёсткими дисками диаметром 5¼″, в результате чего Shugart Associates, разработав контроллер и оригинальный интерфейс Shugart Associates SA-400, выпустила дисковод для миниатюрных (mini-floppy) гибких дисков на 5¼″, который, быстро вытеснив дисководы для дисков 8″, стал популярным в персональных компьютерах. Компания Shugart Associates также создала интерфейс Shugart Associates System Interface (SASI), который после формального одобрения комитетом ANSI в 1986 году был переименован в Small Computer System Interface (SCSI).
  • 1981 год — компания Sony выводит на рынок дискету диаметром 3½″ (90 мм). В первой версии (DD) объём составляет 720 килобайт (9 секторов). В 1984 году компания Hewlett-Packard впервые использовала этот накопитель в своем компьютере HP-150. Поздняя версия (HD) имеет объём 1440 килобайт или 1,44 мегабайт (18 секторов).
  • 1984 год — компания Apple стала использовать накопители 3½″ в компьютерах Macintosh
  • 1987 год — 3½″ HD накопитель появился в компьютерных системах PS/2 фирмы IBM и становится стандартом для массовых ПК.
  • 1987 год — официально представлены разработанные в 1980-х годах компанией Toshiba дисководы сверхвысокой плотности (англ. Extra High Density, ED) носителем для которых служила дискета ёмкостью 2880 килобайт или 2,88 мегабайт (36 секторов).

Конструкция[править | править вики-текст]

Механика[править | править вики-текст]

Для считывания (и записи) информации, записанной на диске, дисковод оснащён установленной на приводе головок парой магнитных головок, прижимающихся к поверхности диска. Двигатель, который осуществляет перемещения головок по диску в двух направлениях с определенным приращением, или шагом, называется шаговым двигателем. Двигатель управляется контроллером диска, который устанавливает головки в соответствии с любым относительным приращением в пределах границ перемещения привода головок. В миниатюрных дисководах на 3½″ головки монтируются на червячной передаче, приводимой в движение непосредственно валом шагового двигателя.

Диски имеют два типа плотности — радиальную и линейную. Радиальная плотность указывает, сколько дорожек может быть записано на диске, и выражается в количестве дорожек на дюйм (англ. Track Per Inch, TPI). Линейная плотность — это способность отдельной дорожки накапливать данные и выражается в количестве битов на дюйм (англ. Bits Per Inch, BPI). Шаговые двигатели не могут осуществлять непрерывное позиционирование, обычно он поворачивается на точно определенный угол и останавливается. Большинство шаговых двигателей, установленных в дисководах гибких дисков, осуществляют перемещение с определенным шагом, связанным с расстоянием между дорожками на диске. За исключением дисковода гибких дисков диаметром 5¼″ ёмкостью 360 Кбайт, которые выпускались только с плотностью 48 TPI и в которых использовался шаговый двигатель с приращением 3,6°, во всех остальных типах дисководов (96 или 135 TPI) обычно используется шаговый двигатель с приращением 1,8°. Кроме того, шаговый двигатель выполняет перемещение между фиксированными ограничителями и должен останавливаться при определенном положении ограничителя.

Позиционирование головок — это операция расположения головок относительно дорожек на диске (узкие концентрические кольца на диске), позволяет приступить к чтению или записи информации на диск. Цилиндр (англ. cylinder) — количество дорожек, с которых можно считать информацию, не перемещая головок. Кольцевые дорожки, расположенные друг под другом на разных сторонах диска, образуют воображаемый цилиндр, отсюда и название. Термин обычно используется как синоним дорожки, а поскольку гибкий диск в дискете имеет две стороны, а дисковод для гибких дисков — только две головки, в гибком диске на один цилиндр приходится две дорожки.

Электроника[править | править вики-текст]

Подключение[править | править вики-текст]

Для подключения дисковода имеются два разъема: один для электрического питания, а другой для передачи данных и сигналов управления. Эти разъемы в компьютерной промышленности стандартизованы: для подключения питания используется четырехконтактный линейный разъем Mate-N-Lock фирмы AMP большого и малого размеров, сигнальный — 34-контактные разъемы. В дисководах формата 5¼″ обычно используется большой разъем для питания, в то время как в большинстве дисководов формата 3½″ для питания используется разъем меньшего размера.

«Странность» сигнального кабеля заключается в том, что линии 10—16 разрезаны и переставлены (перекручены) между разъемами дисководов. Это перекручивание переставляет первое и второе положения перемычки выбора дисковода и сигналы включения двигателя, а следовательно, меняет на противоположные установки сигнала «DS» для дисковода, находящегося за перекручиванием. Соответственно все дисководы в компьютере с этим типом кабеля имеют перемычки, установленные одинаково, а настройка и установка дисководов (вместо первый и второй, они обозначаются в системе как A и B) упрощается. Как правило, материнская плата содержит интегрированный контроллер дисководов (равно как и отдельная плата контроллера, существовавшая в раннее), обеспечивающий установку пары дисководов.

При подключении кабелей необходимо учитывать их ориентацию, в случае если неправильно подключен сигнальный кабель, лампочка на лицевой панели дисковода будет светиться сразу после подачи питания. В случае же неправильной ориентации кабеля питания на электронную схему управления дисководом вместо 5 В подается питание 12 В, что гарантированно приводит к выходу её из строя. Учитывая, что стоимость ремонта штучной платы превышает оптовую стоимость самого дисковода, ремонт дисковода, как правило, экономически не целесообразен.

Программирование контроллера[править | править вики-текст]

Контроллер гибких дисков, со стороны современного программирования, выглядит достаточно примитивно — регистры, имеющие байтовую организацию, сведены в блок из восьми последовательно расположенных ячеек (реально используется лишь часть из них).

Адрес Обозначение Чтение/Запись Назначение
3F016 - - Не используется
3F116 - - Не используется
3F216 DOR Чтение/Запись Регистр цифрового вывода
3F316 TSR Чтение/Запись Регистр привода ленточного накопителя
3F416 MSR Чтение Основной регистр статуса
3F416 DSR Запись Регистр выбора скорости передачи данных
3F516 FIFO Чтение/Запись Регистр буфера данных
3F616 - - Не используется
3F716 DIR Чтение Регистр цифрового ввода
3F716 CCR Запись Регистр управления конфигурацией
Регистр цифрового вывода (англ. Digital Output Register, DOR)[править | править вики-текст]
  • биты 0 и 1 (DS0 и DS1) — двоичное кодирование выбираемого дисковода (одного из четырёх),
  • бит 2 (nRES) — разрешение работы контроллера («1») / сброс контроллера («0»),
  • бит 3 (DMAE) — управление работой схемы регенерации сигналов прерывания и прямого доступа к памяти («0» — разрешено, «1» — запрещено),
  • бит 4 (ME0), 5 (ME1), 6 (ME2) и 7 (ME3), — управление мотором вращения диска дисковода 0, 1, 2 и 3 соответственно («1» — двигатель включен).
Регистр привода ленточного накопителя (англ. Tape Drive Register, TDR)[править | править вики-текст]

Предназначен для обслуживания ленточного накопителя, поэтому использует свободные разряды (с третьего по восьмой), но не имеет единого стандарта.

Основной регистр статуса (англ. Main Status Register, MSR)[править | править вики-текст]

Доступен только для записи. В «1» соответствующий бит устанавливается в случае следующего состояния:

  • бит 0 (D0B) — дисковод 0 находится в состоянии поиска,
  • бит 1 (D1B) — дисковод 1 находится в состоянии поиска,
  • бит 2 (D2B) — дисковод 2 находится в состоянии поиска,
  • бит 3 (D3B) — дисковод 3 находится в состоянии поиска,
  • бит 4 (CB) — контроллер занят выполнением команды,
  • бит 5 (NDMA) — выполняемая контроллером операция не использует ПДП (NonDMA),
  • бит 6 (DIO) — текущее направление передачи данных от процессора к контроллеру («0») или от контроллера к процессору («1»),
  • бит 7 (RQM) — регистр данных FIFO готов к обмену с процессором.
Регистр выбора скорости передачи данных (англ. Data Rate Select Register, DSR)[править | править вики-текст]
  • биты 0 и 1 (DRATE) — кодируют скорость передачи данных:
Значение разрядов DRATE Скорость передачи данных
Бит 1 Бит 0 Режим FM Режим MFM
0 0 250 кб/с 500 кб/с
0 1 150 кб/с 300 кб/с
1 0 125 кб/с 250 кб/с
1 1 - 1 Мб/с
  • биты 2, 3 и 4 (PRECOMP) — кодируют параметр задержки предкомпенсации:
Значение разрядов PRECOMP Задержка предкомпенсации, нс
Бит 4 Бит 3 Бит 2
0 0 0 «По умолчанию»
0 0 1 41,67
0 1 0 83,34
0 1 1 125,00
1 0 0 166,67
1 0 1 208,33
1 1 0 250,00
1 1 1 0 (нет предкомпресии)
  • бит 5 не используется, должен содержать «1»,
  • бит 6 (Power Down) — если «1», то контроллер переходит в режим пониженного электропитания, для выхода используется программный или аппаратный сброс,
  • бит 7 (S/W Reset) — установка в «1» этого разряда вызовет сброс контроллера. По окончанию операции сбрасывается автоматически.
Регистр буфера данных (англ. DATA или англ. FIFO)[править | править вики-текст]

Участвует во всех дисковых операциях чтения и записи. Ёмкость — 16 байт.

Регистр цифрового ввода (англ. Digital Input Register)[править | править вики-текст]

Доступен только для считывания. Старший разряд (англ. Disk CHange, DCH) отображает сигнал смены диска, остальные зарезервированные.

Регистр управления конфигурацией (англ. Configuration Control Register, CCR)[править | править вики-текст]

Доступен только для записи. Два младших разряда дублируют функции регистра DSR в аспекте задачи скорости передачи данных, остальные разряды зарезервированные.

Сведения о состоянии контроллера ST0—ST3[править | править вики-текст]

Сведения о состоянии контроллера хранятся в не имеющих собственных адресов, и поэтому недоступных, регистрах.

Форматы[править | править вики-текст]

8″[править | править вики-текст]

Дисковод и дискета 8″ в сравнении с дискетой 3½″

Первые дисководы были предназначены для работы с дискетами диаметром 8″, которые вмещали 80, 256 или 800 КБ информации.

5¼″[править | править вики-текст]

5¼″ дисковод гибких дисков оригинального IBM PC, Model 5150.
Дисковод гибких дисков двойного формата, 5¼″ и 3½″

Следующим массовым форматом стали дискеты диаметром 5¼″; распространение с ними получили и соответствующие дисководы.

В качестве устройства для постоянного хранения данных первого массового персонального компьютера — IBM PC выпущенного в 1981 году фирмой IBM, предполагалось использовать один или два накопителя на 5¼″ гибких дисках.

Высота дисковода для 5¼″ дискет равна 1 U, а ширина почти равна трём его высотам. Это иногда использовали производители корпусов компьютеров, где три устройства, помещённые в квадратную «корзину», могли быть вместе с ней переориентированы с горизонтального на вертикальное расположение.

3½″[править | править вики-текст]

Дисководы формата 3½″ высокой плотности (неформатированная ёмкость дискеты, определяемая плотностью записи и площадью носителя, составляет 2 Мб) впервые появились в компьютерах IBM PS/2 в 1987 году. Эти дисководы записывают 80 цилиндров с 18 секторами на дорожке, создавая в результате емкость 1,44 Мб, имеют скорость вращения 300 об/мин и записывают в 1,2 раза больше данных, чем дисководы формата 5¼″ на 1,2 Мб (скорость передачи данных в этих дисководах высокой плотности одинакова, и они совместимы с одними и теми же контроллерами высокой и низкой плотности). Для того, чтобы использовать максимальную для большинства стандартных контроллеров дисководов высокой и низкой плотности скорость передачи данных 500 000 бит/с, эти дисководы должны иметь скорость 300 об/мин. Если дисковод будет вращать дискету со скоростью 360 об/мин (как дисковод формата 5¼″) число секторов на дорожку должно быть уменьшено до 15, иначе контроллер не будет успевать обрабатывать сигналы.

Промышленный выпуск дисководов сверхвысокой ёмкости на 2,88 Мбайт Toshiba начала 1989 году. В 1991 году IBM официально приняла эти дисководы для установки в компьютерах PS/2, и практически все PS/2, выпущенные с тех пор, содержат эти дисководы как стандартное оборудование. Для работы с такими дисководами требуется установленная ОС MS-DOS версии 5.0 или старше.

Для правильной работы дисковода на 2,88 Мб необходимо обновление дискового контроллера, так как эти дисководы имеют ту же скорость вращения 300 об/мин, но записывают 36, а не 18 секторов на одной дорожке. В отличие от контроллеров дисководов предыдущих форматов, максимальная скорость передачи данных которых составляет 500 000 бит/с, для того что бы эти 36 секторов были считаны или записаны за то же время, которое требуется дисководу на 1,44 Мбайт для чтения и записи 18 секторов, от контроллера требуется гораздо более высокой скорости передачи данных, 1 000 000 бит/с.