Накопители на гибких магнитных дисках

Лекция 9. Накопители на гибких магнитных дисках

Вопросы:

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД).
Интерфейс и контроллер НГМД.

Литература: 1. Гук. М. Аппаратные средства IBM PC. Питер, 2005, с. 353-391.

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД).

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), или дискетах, применялись с первых моделей РС, у которых они были единственным средством хранения переноса информации. С тех пор эти устройства претерпели относительно не большие изменения — размер дискеты уменьшился почти в два раза, а емкость возросла всего на порядок.. Английское сокращенное название НГМД — FDD (F1ехibl или Floppy Disk Drive).

Первые накопители использовали дискеты диаметром 5,25" (133 мм), для краткости обозначаемые как 5", заключенные в мягкие конверты (рис. 9.1) и имеющие 40 треков на рабочей поверхности.

Среди устройств 5" наиболее распространены 40-дорожечные и 80-дорожечные дисководы. По количеству проводов, подходящих к шпиндельному двигателю дисковода 5", можно определить тип накопителя: если их 4, то дисковод не поддерживает режим НВ, если их 5 — поддерживает. У дисководов НВ скорость вращения шпинделя повышена до 360 об/мин, в то время как у всех других дисководов скорость 300 об/мин. Поскольку дискеты НВ отличаются более высокой коэрцитивной силой носителя, для них требуется более сильный ток записи, чем для обычных дискет. Для того чтобы дисковод НВ мог работать и с обычными дискетами, в его интерфейс ввели дополнительный сигнал снижения тока записи.

Окно защиты

записи

Индекс

а) б)

Рис. 9.1.

Вместе с машинами класса АТ появились накопители для дискет диаметром 3,5". Эти компактные дискеты заключены в пластмассовый конверт. Кроме более высокой плотности хранения информации, дискет 5", они лучше защищены от внешних воздействий (пыли и деформации). Все накопители 3,5" используют 80 треков. По продольной плотности существуют три градации, обеспечивающие хранение 9, 18 или 36 секторов на треке. В стандартном режиме форматирования с емкостью 720 Кбайт, 1,44 и 2,88 Мбайт соответственно. В настоящее время наиболее распространенными являются накопители 3,5" и дискеты с форматированной (для РС) емкостью 1,44 Мбайт. Для получения емкости 2,88 Мбайт применяют так называемую перпендикулярную вертикальную, запись с расположением доменов перпендикулярно плоскости дискеты, а не в плоскости, как при обычной записи рис. 9.2.

Рис.9.2. Плоскостное и перпендикулярное расположение доменов записи.

Перпендикулярная запись требует как специальных головок, так и специальных дискет. Устройства дискеты на 2,88 Мбайт, поддерживаемые контроллерами большинства системных плат, широкого распространения не получили.

Механизмы смены носителя в накопителях 5" и 3,5" работают по-разному. Дискета 5" вставляется в щель накопителя, после поворота рукоятки ; (в старых устройствах — опускания рычага) в ее отверстие вводится конусообразный шпиндель и головки прижимаются к дискете. Чтобы изъять дискету буется повернуть (поднять) рукоятку в обратную сторону — головки поднимутся, и шпиндель освободит дискету.

У дискеты 3,5" имеется защитная шторка, которая сдвигается в сторону, когда дискету вставляют в накопитель. Дискета вставляется в рамку, которая в конце хода проваливается вниз, и дискета падает на шпиндель (и нижнюю головку), а сверху к ней прижимается вторая головка При этом взводится пружинный механизм выталкивания. Шпиндель прихватывает металлический «пятачок» дискеты магнитным замком. В зависимости от состояния установленной дискеты сработают датчики типа и защиты от записи. Для изъятия дискеты достаточно нажать кнопку — под действием пружины, верхняя головка и рамка поднимутся, дискета оторвется от шпинделя и вытолкнется из накопителя, шторка закроется.

Многофазные шпиндельные двигатели современных накопителей совместно с платой электроники автоматически поддерживают требуемую частоту вращения — 300 или 360 об/мин. Из-за невысокой стабильности частоты вращения, которую обеспечивали первые накопители, был принят формат трека с существенным запасом по числу секторов. Более точное поддержание частоты позволило увеличить число секторов (для обычной плотности 10 вместо 9 на трек без риска «наползания» последнего сектора на первый при отклонении скор вращения от номинальной (в сторону больших значений).

В качестве привода позиционирования головок на нужный цилиндр в НГМД применяют шаговые двигатели. Эти двигатели под действием серии импульсов подаваемых на их обмотки, способны поворачивать свой вал на определен угол. Этот угол кратен минимальному шагу, определяемому конструкцией , двигателя. Вращательное движение вала шагового двигателя преобразуется в поступательное с помощью червячного механизма или металлической ленты, намотанной на вал. Таким образом, поворот вала двигателя на один шаг приводит к перемещению блока головок на один цилиндр. Червячная передача должна быть высококачественной — люфты в ней ведут к погрешности позиционирования

4 3

Рис 9.3. Схема привода считывающей головки

Где обозначено:

шаговый двигатель;
1. вал шагового двигателя;
2. вал червячной передачи;
3. считывающая головка4
4. диск накопителя.

Ленточная передача в принципе свободна от люфтов, она обеспечивает более высокую точность и быстродействие позиционирования. Однако из-за изменения температуры (в процессе работы) и износа (со временем) положение треков на носителе, задаваемое только шаговым двигателем, будет меняться, и ранее записанная информация может перестать считыватьс я.

С точки зрения теории автоматического управления привод с шаговым двигателем является разомкнутой системой (то есть системой без обратной связи). Такая система не позволяет корректировать ошибки позиционирования, вызванные, например, температурным изменением размеров дисков. Конечно, при всех операциях обмена проверяется адресный маркер цилиндра, и в случае его несовпадения делается повторная попытка позиционирования — возврат к нулевому цилиндру и подача требуемого количества шаговых импульсов. При обращении к сбойным секторам дискеты эти повторные попытки, выполняемые драйвером НГМД, заметны по «рычанию», с которым устройство как будто бы «пилит» дискету.

Выход на нулевую дорожку определяется по датчику пулевого цилиндра, которым обычно является оптоэлектронная пара с флажком, связанным с блоком головок. Для накопителей со сменными носителями положение нулевого цилиндра существенно — для обеспечения совместимости накопителей его положение должно совпадать у всех устройств. Однако датчик задает положение нулевого цилиндра лишь грубо — он определяет только номер шага привода, на котором головки находятся напротив нулевого цилиндра. Более точно положение можно отрегулировать вращением корпуса шагового двигателя позиционирования в пределах нескольких градусов (не больше, чем угловой шаг двигателя).

Головки записи-считывания — индуктивные. Головка с нулевым номером располагается снизу диска, первая головка — сверху. Головки несколько смещены относительно друг друга в радиальном направлении, так что «цилиндр» дискеты на самом деле больше похож на конус. В нерабочем положении головки подняты над поверхностью диска на несколько миллиметров, а в рабочем прижимаются к поверхности диска пружинами. При недостаточно сильном прижиме запись (особенно при высокой плотности) будет неустойчивой, при слишком сильном прижиме увеличивается износ головок и дискет.

Головка №1

Головка №0

Рис. 9.4. Расположение головок

В дисководах имеется несколько датчиков, которые могут быть как оптоэлектронными, так и механическими микровыключателями.

- Датчик индекса формирует выходной (для дисковода) импульс Index на каждый оборот диска. У дисководов 5" он оптоэлектронный, работает на просвет индексного отверстия в носителе. У дисководов 3,5" он магнитный, для него имеется отверстие в металлическом «пятачке» дискеты.

- Датчик защиты от записи, оптоэлектронный или механический, формирует выходной сигнал Wprot, когда на дискете 5" окошко заклеено, а на дискете 3,5м окошко открыто.

- Датчик нулевого трека, оптоэлектронный или механический, формирует выходной сигнал ТR 00, когда головки достигают соответствующего положения (при движении от центра к краю).

- Датчик смены носителя (только у приводов НD) в момент установки дискеты вызывает срабатывание триггера, вырабатывающего сигнал DС.

-Датчики типа дискеты (только у приводов 3,5”) выходных сигналов не формируют. Датчик типа НВ автоматически (независимо от интерфейсного сигнала Low Curent) должен снижать ток записи, когда в привод HD установлена дискета QВ. Датчик ЕВ аналогичным образом задает специальный режим записи для дискет 2,88 Мбайт.

По плотности записи (Density) различают следующие типы дискет:

SD (Singl Density) — одинарная плотность (давно устаревший тип для дискет 5”);

DD (DoubleDensity) — двойная продольная плотность (стандартные дискеты 5" емкостью 360 Кбайт, 48TPI);

QD (Quadr Density) — двойная продольная плотность с удвоенным количеством треков (дискеты 5" и 3,5" емкостью 720 Кбайт, 96 TPI);

HD (High Density) — высокая плотность (стандартные дискеты 5" емкостью 1,2 Мбайт, 96 TPI и 3,5" емкостью 1,44 Мбайт,135 TPI);

ЕD (Extra High Density) — сверхвысокая плотность (дискеты 3,5" емкоcтью 2,88 Мбайт,135 TPI).

Где ТР1 (Тгek Рег Inch) - поперечная плотность измеряется количеством треков на дюйм. Однако пользователю интереснее знать количество дорожек — именно этот параметр можно задавать в качестве одного из параметров команды FORMAT.

2. Интерфейс и контроллер НГМД.

В корпусе НГМД размещена плата, на которой расположены схемы управления двигателями, усилители –формирователи сигналов записи и считывания, сигналов датчиков.

Контроллер гибких дисков обычно размещается на системной плате ПК или может быть вынесен на специальную карту расширения. Функциональная схема системы управления НГМД и его контроллера представлена на рис.9.5.

Все сигналы контроллера являются логическими с уровнями ТТЛ, активный уровень - низкий. Формирователи выходных сигналов накопителя имеют выход типа «открытый коллектор», рис. 9.6., который подразумевает наличие нагрузочных резисторов RТ на каждой сигнальной линии.

Алгоритм работы НГМД представлен на рис. 9.7., поясняющий совместную работу контролера и схем управления НГМД.

Рис. 9.5

ФИ

К ДШ

(ДГ)

-Е +Е

Rт

Рис. 9.6.

Контроллер

0 1

Да Нет

Заметим, что в интерфейсе нет никаких сигналов, прямо информирующих контроллер о готовности — наличии установленной дискеты. Контроллер может определить готовность, лишь выбрав накопитель и запустив мотор. Тогда отсутствие импульсов Index будет означать неготовность — нет дискеты или она не зафиксирована на шпинделе, или же не подключен дисковод (интерфейс или питание).

Все НГМД, применяемые в РС, независимо от типа и размера имеют одинаковый интерфейс и унифицированные 34-контактные разъемы двух типов: с печатными двусторонними ламелями у устройств 5" и двухрядными штырьковыми контактами у устройств 3,5". Используемый в РС кабель-шлейф имеет перевернутый фрагмент из 7 проводов с номерами 10-16 (рис. 9.10) Этот поворот позволяет подключать к контроллеру одним шлейфом до двух НГМД, причем адрес накопителя определяется его положением на шлейфе: для привода А- фрагмент перевернут, для В: — нет.

Перевернутый фрагмент

PAGE 1

От контроллера

ФИ

Работа

Светодиод индикации накопителя

Нулевой трек

Track 00

Перемещение в центр

Перемещение от центра

сигнал=?

Направление

Смещение головок на один шаг

Выбор номера головки

Side 1

Step

Direction

Управление головкой

Включение двигателя шпинделя

Выбор накопителя

0 0 0 0- - -

DS0 DS1 DS2 DS3

0 0 0 0- - -

Установка перемычки

(jumper)

Motor On

Начало работы

ФИ

У.Д.

Д.Ш.

Контроллер

НМГД

У. Д.

Д.Г.

У.Ф.3

И.М.

Reduce write

Снижение тока записи

Вкл. Index

Есть ли сигнал?

Начало трека

Нет дискеты

Вкл. ReadData

Получение данных в коде

MFM

Write Protect

Защита от записи

Вкл. WriteGate

Вкл. записи

ис.9.7

Накопитель А

Накопители на гибких магнитных дисках