Урожаи магнитных полей

В Мой Мир

Опубликовать

Годы идут, техника меняется кардинально, но кое-что остается в неизменности. В этот раз мы расскажем об устройствах, применяющихся в компьютерах уже более шестидесяти лет, но не торопящихся уходить на пенсию…

Сейчас это трудно представить, но когда-то, больше полувека назад, внешней памяти у компьютеров не было. Программы и данные вводились непосредственно в оперативную память – с помощью тумблеров, коммутационных матриц или перфокарт. Однако уже в те времена существовали технологии долговременного хранения большого объема информации, нужно было лишь приспособить их для цифровых данных. Самым удобным оказался принцип записи на магнитную ленту, использовавшийся в магнитофонах.

Бесконечные катушки

Впервые магнитный накопитель был применен для хранения данных в компьютере UNIVAC I (1951 год). В роли носителя выступала бронзовая никелированная лента шириной полдюйма (12 мм). Лента содержала восемь дорожек, а суммарная плотность записи составляла 128 десятичных символов на дюйм. Лента протягивалась со скоростью 100 дюймов в секунду, что с учетом пустых промежутков между блоками данных обеспечивало пропуск­ную способность 7200 символов в секунду.

По нынешним временам, цифры смешные, но если сравнить со скоростью ввода данных вручную, это огромный шаг вперед. Длина одной катушки составляла 2400 или 4800 футов; таким образом, одна катушка имела объем 7,4 или 14,8 млн символов. Серьезнейшим недостатком магнитной ленты было большое время ожидания данных – так, если искомые данные находились не в начале, а в конце ­катушки, на перемотку могло потребоваться до 20 минут.

Накопители на магнитной ленте до сих пор широко используются, но лишь там, где их слишком большое время случайного доступа не имеет особого значения, то есть в архивировании данных. Современные ленточные накопители, стриммеры, записывают информацию на ленту в компактных картриджах, причем каждый картридж может хранить несколько терабайт.

Бег по кругу

Магнитные ленты нашли свое применение, но компьютерам по-прежнему требовался более оперативный способ хранения данных. По тем временам весьма перспективно выглядели магнитные барабаны.

Магнитный барабан был изобретен австрийцем Густавом Таушеком еще в1932 году, задолго до компьютеров. Таушек нанес магнитный слой на металлический цилиндр, а записывающие и считывающие головки жестко закрепил снаружи. Каждая дорожка барабана была замкнута в кольцо, и для каждой дорожки имелась своя пара неподвижных головок. Доступ к произвольному месту дорожки производился путем вращения барабана. Скорость случайного доступа у барабана составляла доли секунды, но емкость была весьма ограничена. Для ускорения доступа количество головок иногда увеличивали. Относительно высокие характеристики магнитных барабанов позволяли использовать их даже в качестве оперативной памяти, но с появлением памяти на ферритовых кольцах они прочно заняли нишу внешних хранилищ информации.

В качестве примера возьмем мини-компьютер Librascape LGP-30, выпущенный в 1956 году компанией General Precision. Его барабанный накопитель, использовавшийся в качестве оперативной памяти, содержал 64 дорожки и мог хранить 4096 31-битных символов (стандарт на 8-битные символы, названные байтами, появился много позже). Скорость вращения барабана достигала 3700 об./мин., при этом наихудшее время доступа составляло всего 17 мс. Размеры барабана были весьма скромные – 16,5 см в диаметре и 17,8 см в длину.

К концу 1960-х годов в погоне за объемом некоторые компании начали выпускать накопители на магнитных барабанах поистине исполинских размеров и веса. Так, Fastrand II состоял из контроллера и одного или нескольких модулей, содержащих по два барабана, вращавшихся в разных направлениях. Каждый модуль имел емкость примерно 100 Мб и весил две тонны. К контроллеру можно было подключать до восьми модулей.

Магнитные барабаны широко использовались в компьютерах вплоть до 1970-х и поначалу считались наиболее перспективным направлением развития магнитных накопителей. Даже с появлением накопителей на жестких магнитных дисках (НЖМД) они не спешили сойти со сцены, поскольку их время случайного доступа было гораздо ниже, чем у первых НЖМД. Нередко магнитные барабаны и жесткие диски использовались в составе одного компьютера (на барабане содержалась операционная система и файл подкачки – виртуальная память), на жестком диске – прикладные программы и пользовательские данные.

Винчестер из Сан-Хосе

Откуда у жесткого диска появилось прозвище «винчестер»? История совсем простая, и произошла она с моделью IBM 3340. Инженеры, разрабатывавшие устройство, называли его между собой «30-30», из-за того, что оно содержало два пакета дисков по 30 Мб каждый. Как известно, американцы обожают стрелковое оружие и все, что с ним связано, а в то время среди охотников был крайне популярен винтовочный патрон .30-30 Winchester (калибр 0.30 дюйма, вес пороха 30 гран). Именно за это Кеннет Хогтон, руководитель проекта 3340, окре­стил устройство «винчестером».

Все свое ношу с собой

В истории магнитных накопителей важное место занимают устройства со съемными носителями. Функционально они представляют собой как внешнюю память, так и устройство ввода-вывода. До появления Интернета программы поставлялись исключительно на магнитных лентах и флоппи-дискетах.

• 1971 год. Компания IBM представила флоппи-дисковод, использующий 8-дюймовые диски, заключенные в гибкий пластиковый конверт. Объем дискеты мог составлять 80, 256 или 800 кб, что по тем временам было более чем достаточным.
• 1976 год. Компания Shugart Associates, основанная выходцем из IBM Аланом Шугартом, выпускает первый флопи-дисковод для 5,25-дюймовых дискет. Именно этот дисковод впервые стал применяться в персональных компьютерах. К 1984 году емкость 5,25-дюймовых дискет достигла 1200 кб.
• 1981 год. Sony выводит на рынок 3,5-дюймовый флоппи-дисковод. Дискеты получили жесткий пластиковый конверт с металличе­ской защитной шторкой. Первые модели могли записывать до 360 кб, а к 1987 году появились дискеты высокой плотности (1440 кб). К тому времени 3,5-дюймовые дисководы стали индустриальным стандартом – ими оснащались практически все выпускаемые ПК.
• 1987 год. Toshiba создает 3,5-дюймовый дисковод сверхвысокой плотности (2,88 Мб). Новинка почти не находит применения за пределами Японии.

У этих безусловно удобных устройств было несколько существенных недостатков. Одним из них являлось отсутствие стандарта на формат: каждая операционная система форматировала дискеты по-своему, в результате чего компьютер с другой ОС не мог с ними работать, ситуацию исправило лишь господство Win­dows. Кроме того, поверхность самого диска в дискете легко запыляется и царапается, а магнитный слой размагничивается под действием разного рода электромагнитных полей, то есть сохранность данных оставляет желать лучшего.

В настоящее время дискеты практически не используются, многие материнские платы даже не имеют разъема для подключения флоппи-дисковода. Их нишу заняли перезаписываемые компакт-диски и флэш-накопители, обеспечивающие гораздо большую надежность хранения и скорость чтения-записи.

Песни персональных компьютеров

Сейчас мало кто помнит, что в 80-х годах (а в нашей стране и в 90-х) самым распространенным видом внешней памяти являлся кассетный бытовой аудиомагнитофон. Первые зарубежные и большинство отечественных ПК не имели интерфейса для флоппи-дисковода (к тому же подобные устройства были весьма дороги), зато могли преобразовывать данные в звук, который можно было записать, подав на линейный вход обычной монофонической «Электроники-302». Загрузить программу тоже не составляло труда: магнитофон воспроизводил компьютерные трели через линейный выход, а компьютер распознавал закодированные таким образом цифры. То есть обычная 60-минутная компакт-кассета могла хранить около 1 Мб информации, в зависимости от способа кодирования. Правда, запись или загрузка такого объема занимала ровно 60 минут.

Виды памяти

Каждому компьютеру нужна память для хранения программ и данных. Ее можно разделить на три вида: постоянная, оперативная и внешняя.

• Постоянная память содержит набор микропрограмм, инициализирующих все компоненты компьютера при его запуске, обеспечивающих работу ПК до загрузки операционной системы и использующихся операционной системой для общения с периферийными устройствами. Постоянная память не теряет своего содержимого при выключении компьютера, а запись в нее производится еще на заводе, при выпуске системной платы. Повреждение содержимого постоянной памяти приводит к сбоям при запуске и работе компьютера.
• Оперативная память хранит выполняемые в настоящий момент программы (а так же те, которые могут понадобиться в ближайшее время) и их данные. Она характеризуется высокой пропускной способностью и скоростью доступа, но объем такой памяти сравнительно невелик, и хранить информацию после отключения питания она не может.
• Внешняя память используется для хранения всех программ и данных пользователя. Она медленнее оперативной, зато ее объем гораздо больше и своего содержимого она при отключении питания не теряет. По мере надобности информация загружается из внешней памяти в оперативную. Строго говоря, центральный процессор ПК ничего не знает о существовании внешней памяти, в его наборе команд есть лишь директивы для работы с оперативной и постоянной памятью. Обменом данными с внешней памятью занимаются специальные устройства – контроллеры.

Запись на магнитную ленту

Принцип магнитной записи очень прост. Несущая поверхность (например, лента, барабан или диск) покрывается частицами оксида железа либо иного ферромагнетика. Записывающая головка, представляющая собой электромагнит, намагничивает область магнитного слоя, называемую доменом. Условно говоря, при намагничивании в одном направлении домен сохраняет двоичный ноль, в другом – единицу. Для смены вектора намагничивания нужно лишь сменить направление тока, пропу­скаемого через головку.

Полученное доменом магнитное поле хранится довольно долгое время. Чтение производится обратным способом: остаточное магнитное поле домена возбуждает в считывающей дорожке электрический ток определенного направления. Подобным образом работают все магнитные накопители: ленточные, дисковые, барабанные.

На разных языках

Высокая плотность записи и скорость вращения дисков могут обеспечить большую скорость записи и чтения с накопителя, но какой с этого толк, если интерфейс с компьютером такую скорость не обеспечивает? И помимо скорости существует также задача совместимости, что осложняет разработку – ускорить жесткий диск и его интерфейс мало, надо еще обеспечить совместную работу с тем же компьютером.

Поначалу надобности в общем стандарте не было – производитель компьютера просто разрабатывал для него жесткий диск вместе с интерфейсом. Но IBM PC со своей открытой архитектурой задал новую моду, и многие компании задумались о выпуске жестких дисков, имеющих некий стандартизированный интерфейс. Как это часто бывает, направление задал лидер – интерфейс первого НЖМД для ПК, Seagate ST-506, де-факто стал первым индустриальным стандартом.

Впрочем, господство Seagate продолжалось недолго. В 1986 году появились интерфейс IDE (PATA), применявшийся в ПК производ­ства IBM и SCSI, выбранный Apple для сво­его Macintosh. Вплоть до появления Serial ATA в 2003 году, эта пара продолжала совершен­ствоваться, наращивая функциональность и пропускную способность.

Пакет с магнитными блинами

Создателем накопителя на жестких магнитных дисках считается сотрудник компании IBM, известный изобретатель Рейнолд Джонсон. Получив в 1953 году должность руководителя исследовательской лаборатории IBM в Сан-Хосе, Джонсон развил бурную деятельность и даже начал несанкционированный начальством проект принципиально нового накопителя. Прибор, названный RAMAC (от англ. Random-Access Method of Accounting and Control – метод учета и управления со случайным доступом), весил больше тонны и хранил 5 млн 7-битных символов.

Конструктивно накопитель IBM 305 RAMAC состоял из 50 дисков диаметром по 24 дюйма (61 см), покрытых окисью железа. Диски вращались со скоростью 1200 об./мин., пропускная способность составляла 8800 символов в секунду. Единственная пара головок перемещалась между дисками и дорожками с помощью шаговых электродвигателей и удерживалась над поверхностью диска воздушной подушкой.

По хранимому объему RAMAC оставила далеко позади современные ей накопители на магнитных барабанах и напрямую конкурировала с ленточными накопителями, обеспечивая при этом несравнимо меньшее время случайного доступа, порядка нескольких секунд. В 1956 году такие накопители сдавались компанией IBM в аренду по $35 тыс. в год, выпускались же они вплоть до 1969 года.

Следующим прорывом в отрасли НЖМД считается накопитель IBM 3340, выпущенный в 1973 году. Его конструкция была более зрелой, чем у предшественников. В отличие от RAMAC IBM 3340 имел по паре головок на каждую поверхность (то есть две пары на каждый диск), что обеспечивало время случайного доступа всего 25 мс. Головки держались над поверхностью дисков уже не на воздушной подушке, а благодаря эффекту Бернулли (то есть головку поднимает разница давлений над и под ней). Компактный, высотой около метра, корпус IBM 3340 содержал два пакета дисков: несменяемый и сменный, объемом по 30 Мб каждый.
Продвигаемые таким гигантом, как IBM, накопители на жестких магнитных дисках стали стремительно завоевывать рынок. Множество компаний начали выпускать НЖМД собственной конструкции, что привело к стремительному развитию отрасли: надежность и плотность записи росли; размеры, вес, энергопо­требление и стоимость устройства падали.

Стриммер по-нашему

В 90-х годах XX века Россия переживала тяжелые времена, сопровождавшиеся суще­ственным отставанием от Запада в области вычислительной техники. Еще хуже обстояли дела с ПК: обычный для того времени компьютер со встроенным жестким диском 40 Мб считался у нас за роскошь, а уж о стриммерах за пределами вычислительных центров никто и не слыхивал. Но, как говорится, голь на выдумки хитра, и зеленоградская компания ПО КСИ разработала устройство, позволявшее хранить большие объемы данных на любом бытовом VHS-видеомагнитофоне.

Устройство, названное «АрВид» (архиватор на видео), подключалось к видеомагнитофону через низкочастотные вход и выход, а также умело управлять им, имитируя сигналы пульта ДУ с помощью светодиода. Кодируя данные в композитный видеосигнал, «АрВид», в зависимости от модификации, мог уместить до 6 Гб на 180-минутную видеокассету стандарта VHS – по тем временам объем очень и очень солидный. Поддерживалась коррекция ошибок, повышающая надежность хранения информации.

Теоретически кассету можно было скопировать без участия компьютера, просто с магнитофона на магнитофон, на практике же такая попытка чаще всего давала в результате некорректно считываемую запись. «АрВид» различных модификаций выпускались до 1997 года, всего было выпущено больше 200 тыс. штук.

В карманном формате

Конечно, первые жесткие диски могли позволить себе лишь не самые бедные компании. Но с уменьшением размера и снижением стоимо­сти область применения этих устройств неуклонно расширялась и, наконец, появились первые НЖМД, предназначенные для персональных компьютеров.

Поначалу о жестких дисках для ПК не было и речи. Считалось, что пользователю ПК за глаза хватит накопителя на магнитной ленте, тем более что большинство компьютеров того времени могли использовать в таком качестве обычный бытовой магнитофон. Чуть позже появились более удобные флоппи-дисководы, причем многие ПК оснащались парой таких – в один ставили диск с операционной системой, в другой – диск с нужным приложением и данными.

В 1980 году компания Seagate представила первый НЖМД форматом 5,25 дюйма. Надо сказать, что большинству частных пользователей ПК такая новинка была не по карману – жесткий диск емкостью 5 Мб стоил $1500. Годом позже Apple, стремившаяся оснащать свои компьютеры по последнему слову техники, представила и свой вариант компактного НЖМД, но стоил Apple ProFile $3500 при все тех же 5 Мб емкости. В пересчете на мегабайт, он обходился покупателям значительно дороже, чем «серьезные» накопители для мейн­фреймов.

Но такие цены держались крайне недолго. Психологический барьер был сломлен – менеджеры компаний – производителей НЖМД осознали, что потенциально рынок этих продуктов был неизмеримо больше, чем они думали, и что вместо того, чтобы продавать за год тысячу накопителей по $10 тыс., они могут продавать миллион накопителей по $100 каждый.

Вскоре жестким диском стали комплектовать почти все выпускаемые ПК. Так, вышедший в 1984 году IBM PC AT получил накопитель объемом 20 Мб (и лишь один 5,25-дюймовый флоппи-дисковод).

Объем и быстродействие жестких дисков росли и продолжают расти практически в геометрической прогрессии, и конкурентов им долгое время просто не было. Даже несмотря на появление перспективных твердотельных накопителей, НЖМД остаются наиболее дешевым и надежным видом внешней памяти и последним (помимо системы охлаждения) механическим устройством в современном компьютере.

Статья опубликована в журнале ComputerBild №2/2012 (стр. 76)