Последовательная шина FireWire

Последовательная шина FireWire получила меньшее распространение, чем USB в виду сравнительной дороговизны, но её технические характеристики предпочтительнее. Шина FireWire построена на стандарте IEEE 1394, который разработан в 1995 году для потоковой обработки цифрового видео. Существуют две версии этого стандарта- первоначальный IEEE 1394a и более новый IEEE 1394b (Giga Wire, FireWire 800). Стандарт IEEE 1394 включает такие функции, как возможность " горячего" подсоединения/отсоединения внешних устройств, включая дисковые накопители, принтеры и ручные периферийные устройства типа сканеров и видеокамер. Возможно последовательное подключение до 63-х устройств. Скорость передачи данных по FireWire IEEE 1394a составляет 100, 200 и 400 Мбит/с (т.е. до 50 Мбайт/с), фактически пропускная способность равна примерно 40 Мбайт/с. Теоретическая пропускная способность FireWire IEEE 1394b достигает 800 Мбит/с (100 Мбайт/с).

Рис.5.7. Кабели FireWire (9-pin IEEE1394a и 6-pin IEEE1394b)

Подобно USB, реализация возможностей шины FireWire появилась только в Windows 98SE. В FireWire IEEE 1394a используются два типа разъёмов- 6-ти контактные и 4-х контактные. Выбор разъёма осуществляется в зависимости от того- нужно подключаемому устройству питание от шины или нет. Если подобной необходимости нет, используется 4-х контактный разъём (как правило, такой используется в цифровых видеокамерах). Если питание от шины требуется, используется 6-ти контактный разъём. Большинство подключаемых к компьютеру устройств рассчитано именно на него. В качестве кабеля используется 4-х или 6-ти проводная экранированная витая пара. Длина кабеля может достигать 4.5 м. Стандарт IEEE 1394b предполагает использование нового 9-контактного провода. Для сохранения совместимости со стандартом IEEE 1394a и тысячами устройств, использующих старые порты FireWire, новый стандарт имеет два типа передачи данных - " бета-режим", когда соединяются устройства, поддерживающие IEEE 1394b и режим обратной совместимости, при котором возможно подключение устройств IEEE 1394a. В режиме обратной совместимости максимальная скорость шины автоматически снижается до 400 Мбит/с. Стандартом предусмотрены и переходники с 9-контактного разъёма на 4-контактный и с 9-контактного разъёма на 6-контактный. Возможность питания внешних устройств от шины – максимально 1.25 А/12 V у IEEE 1394a и 1.25 А/30 V- у IEEE 1394b. Такая относительно большая электрическая мощность даёт возможность питать электроэнергией от FireWire-портов внешние винчестеры, приводы CD-ROM, принтеры, сканеры и т.д. FireWire успешно конкурирует со стандартом USB 2.0 там, где нужна высокая скорость передачи данных и высокая мощность питания внешнего устройства.

5.10. Внешняя шина eSATA (External Serial ATA)

eSATA является аналогом интерфейса встраиваемых жёстких дисков SATA, но созданным для подключения внешних устройств. Преимущества eSATA:

· поддержка режима " горячей замены";

· меньшая, по сравнению с USB или IEEE 1394 (FireWire), загрузка центрального процессора;

· более высокая скорость передачи данных (до 3 Гбит/с против 480 Мбит/c у USB 2.0 и 800 Мбит/с у FireWire IEEE 1394b).

В отличие от SATA, предназначенного для подключения внутренних жестких дисков, длина сигнального кабеля eSATA увеличена с одного до двух метров. Стандарт шины eSATA - это дополнительные требования, предъявляемые к физическим и электрическим параметрам интерфейса Serial ATA, которые гарантируют надежное подключение внешних винчестеров. Для программного обеспечения и операционной системы жёсткие диски, подключенные по eSATA, не отличаются от винчестеров, установленных внутри системного блока. Поэтому, не нужны специальные драйверы и утилиты. Скорость работы, соответственно, сохраняется на том же уровне: 1.5 Гбит/с (около 150 Мб/с) для первой реализации Serial ATA и 3 Гбит/с (300 Мб/с) - для SATA II.

Стандарт интерфейса eSATA вводит новый тип кабеля и разъёмов. На кабеле добавлен дополнительный слой экранирования, увеличена глубина вилки и розетки, обеспечено их экранирование и надежное зацепление с помощью пружинных защелок. Чтобы не допустить случайного подключения стандартного кабеля в разъем eSATA и наоборот, изменена форма, ширина разъема, добавлен ключ (защита " от дурака"). Новый разъем рассчитан уже на 5 тысяч рассоединений (по сравнению с 50-ю соединениями у обычного SATA-кабеля) и обеспечивает должную защиту от помех и электростатических разрядов. Питание внешних устройств по кабелю eSATA не предусмотрено. Для подключения внешних накопителей с поддержкой eSATA к компьютеру необходима дополнительная карта расширения PCI с соответствующими разъемами. На некоторых материнских платах впаивается дополнительная микросхема- контроллер eSATA. Поддержка каналов eSATA у чипсетов имеется в наборах системной логики компании Intel, имеющих южный мост начиная с ICH8.

6. Жёсткие диски

6.1. Устройство жёсткого диска

Современный компьютер невозможно представить без основного носителя информации - жесткого диска, ставшего одним из основных компонентов системы. Жесткие диски все чаще находят применение и в бытовых устройствах- цифровых видеомагнитофонах, карманных компьютерах, mp3-плеерах, в цифровых фотоаппаратах, поскольку только жесткий диск способен сегодня предоставить ёмкость, измеряемую сотнями гигабайт, при приёмлемой скорости работы, компактности устройства и цены хранения информации.

История жестких дисков началась в 1952 году, когда корпорация IBM предложила одному из своих ведущих инженеров, Рейнольду Джонсону, возглавить новую исследовательскую лабораторию. В те годы приоритетной задачей был поиск альтернативы чрезвычайно медленным перфокартам и магнитным лентам, требовались высокоемкие накопители информации с произвольным доступом. Результатом пятилетнего труда команды Рейнольда стало создание в 1955 году накопителя на жестких дисках IBM 350 Disk File.

Рис.6.1. Первый жёсткий диск - IBM 350 Disk File

Накопитель состоял из 50 дисков диаметром 24 дюйма, вращавшихся со скоростью 1200 об/мин. Среднее время доступа к произвольной ячейке составляло 1 с, плотность записи – 2 Кбит на квадратный дюйм, емкость – 5 Мбайт. Размер накопителя был сравним с двумя современными двухкамерными холодильниками. С тех пор плотность записи на пластины возросла более чем в 60 миллионов раз, достигнув 120 Гбит/дюйм². Название " жёсткий диск" устойчиво ассоциируется с жаргонным названием " винчестер" у тех, кто имеет отношение к информационным технологиям, с 1973 года, когда компания IBM разработала жёсткий диск модели 3340, имевший неофициальное название " Винчестер". Это был 60-ти мегабайтный жесткий диск, состоявший из четырех 14-ти дюймовых пластин. В техническом задании на разработку диска было указано, что накопитель должен иметь 30 Мбайт стационарно установленных дисков и 30 Мбайт сменного модуля данных, поэтому сначала этому диску дали название 30/30, а затем руководитель проекта, Кен Хофтен (Ken Haughten) назвал его винчестером, поскольку широко известная в Америке магазинная винтовка О.Ф.Винчестера имела калибр 30-30. Эти цифры обозначали 30-й калибр (7, 62 мм) с 30 гранами пороха (около 2 граммов). Со временем все жёсткие диски стали называть " винчестерами".

Рис. 6.2. Вид жёсткого диска изнутри.

Жёсткий диск представляет собой жёсткую плотно закрытую (но не герметичную) металлическую коробку, в которой размещены от 1 до 5-ти круглых пластин, которые крепятся на оси – шпинделе, вращающейся с высокой скоростью (5400- 15000 об/мин) с помощью электродвигателя, который расположен внутри той же коробки. Пластины (platters) обычно изготавливаются из алюминия, но некоторые фирмы используют стекло, пластик или керамику, менее подверженные температурным расширениям при сохранении необходимой жёсткости при вращении. На каждую пластину с обеих сторон нанесено специальное магнитное покрытие. Раньше магнитный слой создавали напылением оксида железа, сейчас используют гамма-феррит-оксид, изотропный оксид и феррит бария. Наибольшее распространение получили диски с напылением железа, кобальта или никеля. Это три химических элемента, обладающие магнитными свойствами. Лучшие магнитные свойства можно получить, используя сплавы этих веществ друг с другом и немагнитными веществами- особенно с редкоземельными. Запись/считывание информации на жёстких дисках осуществляется с помощью плавающих магнитных головок, которые имеют очень малую массу и при вращении диска поднимаются над его поверхностью на воздушной подушке, создаваемой аэродинамикой диска и формой магнитной головки. Очевидно, что подъемная сила зависит от давления воздуха на головки. Давление воздуха в диске, в свою очередь, зависит от внешнего атмосферного давления. Поэтому некоторые производители указывают в спецификации на свои устройства предельный потолок эксплуатации над уровнем моря (например, 3000 м). Толщина зазора между головкой и диском (Head Gap) очень мала, на современных жёстких дисках она составляет 10- 15 нм (меньше толщины человеческого волоса и даже меньше частицы сигаретного дыма). Уменьшение зазора позволяет увеличить плотность записи, а следовательно и информационную ёмкость диска.

Принцип записи информации на жёсткий диск в общих чертах схож с тем, как ведётся запись на магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, которая индуцирует магнитное поле, воздействующее на диск. Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности, которые можно образно представить как много маленьких стрелок от компаса, направленных в разные стороны. Такие магнитные частицы-стрелки называются доменами. Под воздействием внешнего магнитного поля от магнитных головок собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск информация. При чтении данных с диска, участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности.

Магнитные головки перемещаются от края вращающейся пластины к её центру с помощью линейного двигателя, устроенного наподобие катушки динамика, что обеспечивает быстроту срабатывания. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками. Выполнив запись/чтение на одной дорожке, магнитные головки перемещаются на другую дорожку. Совокупность дорожек, расположенных одна под другой на всех пластинах диска, называют цилиндром.

К корпусу жёсткого диска обычно крепится печатная плата с электронной схемой, обеспечивающей нормальную работу диска. Она расшифровывает команды контроллера и передает их в виде изменяющегоcя напряжения на двигатель, перемещающий магнитные головки к нужному цилиндру диска. Электронная схема также стабилизирует вращение пакета пластин диска, вырабатывает сигналы для головок при записи и усиливает считываемые сигналы. К жёсткому диску обычно прикреплены два кабеля: 4-проводный кабель питания и многопроводный плоский кабель (шлейф) для обмена данными между жёстким диском и его управляющей схемой- контроллером.

6.2. Характеристики жёстких дисков

6.2.1. Габариты жёстких дисков (Form Factor)

Для установки жёсткого диска в системный блок компьютера, в корпусе системного блока имеются специальные монтажные отсеки (Drive Bay). Размер жёсткого диска должен соответствовать размеру монтажного отсека. Габариты жёстких стандартны и характеризуются " коэффициентом формы" (Form Factor). Form Factor означает ширину жёсткого диска. Стандартные величины коэффициента формы в дюймах: 5¼ ", 3½ ", 2½ ", 1.8", 1.3". Первый из перечисленных форм-факторов, 5¼ ", это размер устаревших моделей жёстких дисков, имевших объём 10-80 Мб. 3½ " - форм-фактор современных жёстких дисков, устанавливаемых на офисные (desk-top) компьютеры. 2½ ", 1.8", 1.3" - форм-факторы жёстких дисков для мобильных компьютеров и электронных устройств.

6.2.2. Ёмкость жёсткого диска

У первых жёстких дисков, устанавливавшихся на персональные компьютеры, была информационную ёмкость 10 Мб. В настоящее время производители жёстких дисков для ПК предлагают устройства вместимостью 40- 500 Гб. Современное программное обеспечение устойчиво предъявляет всё большие требования к ёмкости жёстких дисков, стимулируя прогресс технологий в этой области.