Interested Article - Накопитель на гибких магнитных дисках

Дисководы для дискет 8", 5¼" и 3½" дюймов

5¼", 1,2MB и 3½", 2,88MB в общем корпусе

Накопитель на гибких магнитных дисках ( НГМД ; англ. floppy disk drive ) — дисковод , предназначенный для считывания и записи информации с дискеты . Работает по тем же физическим принципам, что и магнитофон , и фактически является его специализированной разновидностью.

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 на гибких дисках, ровно как и сами носители — дискеты, были массово распространены с 1970-х и до конца 1990-х годов. В XXI веке НГМД уступают место более ёмким CD , DVD и удобным в использовании флеш-накопителям .

История

1967 год — Алан Шугарт возглавлял команду, которая разрабатывала дисководы в лаборатории фирмы IBM , где были созданы накопители на гибких дисках. Дэвид Нобл ( 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 — ( 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 ( ), 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 (1,44 мегабайта ; 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 (2,88 мегабайта ; 36 секторов ).

Конструкция

Механика

Для считывания с поверхности диска двигатель, который осуществляет перемещения головок по диску в двух направлениях с определённым приращением, или шагом, называется шаговым двигателем . Двигатель управляется контроллером диска, который устанавливает головки в соответствии с любым относительным превращением 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 определённый угол и останавливается. Большинство шаговых двигателей, установленных в дисководах гибких дисков, осуществляют перемещение с определённым 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 определённом 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.

Конструкция дисководов
Чертежи из патентов IBM
Головки чтения/записи 3½″ дисковода гибких дисков

Электроника

Конструкция дисководов
Shugart SA 400 Minifloppy — 5¼″ дисковод гибких дисков с интерфейсом Shugart SA400 .
Shugart SA 400 Minifloppy — вид сзади.
Контроллер дисковода гибких магнитных дисков (КНГМД) IBM PC/XT для подключения внутреннего и внешнего дисковода.

Подключение

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 четырёхконтактный 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 (ровно как и отдельная плата контроллера, существовавшая ранее), обеспечивающий установку пары дисководов.

При подключении кабелей необходимо учитывать их ориентацию, в случае если неправильно подключён 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 подаётся 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.

Электрическое подключение дисководов
Интерфейс для подключения 3½″ дисковода гибких дисков: малогабаритный разъём питания и разъём для подключения 34-контактного сигнального кабеля.
Кабели: слева питания, справа — сигнальный.
„Странный“ сигнальный кабель со скруткой.
Колодки для подключения 5¼″ (слева на фото) и 3½″ (справа) дисководов различны. Для подключения на кабеле 3½″ дисковода к колодке для 5¼″ дисковода, мог быть использован специальный переходник.

Программирование контроллера

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
3F0 ₁₆	-	-	Не используется
3F1 ₁₆	-	-	Не используется
3F2 ₁₆	DOR	Чтение/Запись	Регистр цифрового вывода
3F3 ₁₆	TSR	Чтение/Запись	Регистр привода ленточного накопителя
3F4 ₁₆	MSR	Чтение	Основной регистр статуса
3F4 ₁₆	DSR	Запись	Регистр выбора скорости передачи данных
3F5 ₁₆	FIFO	Чтение/Запись	Регистр буфера данных
3F6 ₁₆	-	-	Не используется
3F7 ₁₆	DIR	Чтение	Регистр цифрового ввода
3F7 ₁₆	CCR	Запись	Регистр управления конфигурацией

Регистр цифрового вывода ( англ. Digital Output Register, DOR )

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 )

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 )

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 )

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	Задержка предкомпенсации, нс
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 окончании операции сбрасывается автоматически.

Регистр буфера данных ( англ. DATA или англ. FIFO )

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

Регистр цифрового ввода ( англ. Digital Input Register )

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

Регистр управления конфигурацией ( англ. Configuration Control Register, CCR )

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

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

Форматы

8″

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″

5¼″ дисковод гибких дисков оригинального IBM PC, Model 5150.

Комбинированный дисковод — дисководы для дисков 5¼″ и 3½″, выполненные в едином корпусе

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-дюймовых гибких дисках.

Высота дисковода для 5¼-дюймовых 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″

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 с 18 секторами на дорожке, создавая в результате ёмкость 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″), то 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 в 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 .