Основные характеристики материнских плат

Форм-фактор, или типоразмер системной платы, определяет ее размеры, тип разъема питания, расположение элементов крепления (отверстий, клипсов), размещение разъемов различных интерфейсов и т. д.

Форм-фактор АТХ был предложен фирмой Intel в 1995 г и в настоящее время большинство материнских плат имеют этот формат. К его возможностям относятся: размещение портов ввода-вывода на системной плате; встроенный разъем мыши типа PS/2; расположение IDE, ATA-разъемов и разъемов контроллера дисководов ближе к самим устройствам; перемещение гнезда процессора на заднюю часть платы, рядом с блоком питания; использование единственного 20-контактного разъема питания. Предусмотрена возможность управления режимами работы блока питания со стороны контроллера системной платы. Вентилятор блока питания является нагнетающим, поэтому на материнскую плату попадает меньше пыли, а воздух, поступающий из блока питания, сначала охлаждает процессор.

LPX. В них платы расширения устанавливаются параллельно системной плате, посредством переходника с повернутыми на 90 градусов разъемами. За счет этого получается очень плоская конструкция, но число таких разъемов невелико (обычно не более трех), а термические условия работы компонентов весьма напряженные.

NLX. Системная плата разделена на две части. В специальный разъем (получивший название NLX Riser Connector),непосредственно примыкающий к блоку питания, вставляется процессорная плата (содержит процессор, BIOS, слоты для модулей оперативной памяти). Кроме контактов питания разъем имеет информационную (системную) шину. Другая плата (названная riser caret), установлена в корпусе компьютера стационарно (то есть является неотъемлемой частью компьютерной системы) и может иметь слоты интерфейсов PCI, USB, IEEE 1394 и любых других имеющихся и перспективных стандартов. Таким образом, после установки процессорная плата автоматически оказывается подключенной к питанию и к шинам интерфейсов.

Форм-фактор NLX обеспечивает легкую установку процессорной платы. Теперь к ней не подведены никакие кабели и шлейфы, разъемы плат расширения расположены отдельно. Благодаря наличию стационарной отдельной платы с разъемами расширения и встроенными контроллерами ликвидируется обычный сегодня хаос с кабелями.

Процессорный интерфейс.Обычно системный набор создается конструкторами с ориентацией на конкретную линейку процессоров. То есть, обеспечивается поддержка опре­деленного процессорного интерфейса. В это понятие включают тип разъема (механические параметры), его электрические параметры (разводка контактов, напряжение питания ядра и блоков ввода-вывода процессора), возможности BIOS по поддержке конкретных моделей процессоров.

BIOS.Важным элементом системной платы является BIOS (BasicInput/Output System – базовая система ввода-вывода). Так называют аппаратно встроенное в компьютер программное обеспечение, которое доступно без обращения к диску. В микросхеме BIOS содержится программный код, необходимый для управления клавиатурой, видеокартой, дисками, портами и другими компонентами, а также для загрузки операционной системы с диска.

Обычно BIOS размещается в микросхеме ПЗУ (ROM, Read-Only Memory), расположенной на материнской плате компьютера. Такая технология позволяет обеспечить постоянную доступность BIOS независимо от работоспособности внешних по отношению к материнской плате компонентов (например, загрузочных дисков). Поскольку доступ к RAM (оперативной памяти) осуществляется значительно быстрее, чем к ROM, многие изготовители предусматривают при включении питания автоматическое копирование BIOS из ROM в оперативную память. Задействованная при этом область оперативной памяти называется теневым ПЗУ (Shadow ROM).

В настоящее время большинство современных материнских плат комплектуется микросхемами Flash BIOS, код в которых может перезаписываться при помощи специальной программы. Такой подход облегчает модернизацию BIOS при появлении новых компонентов, которым нужно обеспечить поддержку (например, новейших типов микросхем оперативной памяти). Так как львиная доля программного кода BIOS стандартизирована, то есть является одинаковой и обязательной для всех компьютеров PC, в принципе менять его нет особой необходимости. Перезапись BIOS – крайне ответственная и весьма непростая задача. Браться за нее следует только в самом крайнем случае, когда проблема не решается никакими другими способами. При этом надо ясно отдавать себе отчет в необходимости и последствиях каждого шага этой операции.

Работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами, входящими в BIOS, но такими средствами нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами. Так, например, изготовители BIOS абсолютно ничего не знают о параметрах наших жестких и гибких дисков, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычислительной системы. Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры. По очевидным причинам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве.

Специально для этого на материнской плате есть микросхема “энергонезависимой памяти”, по технологии изготовления называемая CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS.

Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.

 

Шинные интерфейсы материнской платы.Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами материнской платы выполняют ее шины и логические устройства, размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета). От архитектуры этих элементов во многом зависит производительность компьютера.

PCI. Интерфейс PCI (Peripheral Component Interconnect – стандарт подключения внешних компонентов) был введен в персональных компьютерах, выполненных на базе процессоров Intel Pentium. По своей сути это тоже интерфейс локальной шины, связывающей процессор с оперативной памятью. До недавнего времени она обладала достаточной скоростью для своих периферийных устройств, начиная от звуковых карт, контроллеров USB, компонентов ввода/вывода и заканчивая контроллерами жёстких дисков. Поскольку видеокарты начали требовать большую пропускную способность, появился интерфейс AGP.

Для современных материнских плат PCI стала "узким местом", так как она предоставляет (в стандартном варианте) пропускную способность до 264 Мбайт/с, поделённую между всеми слотами в системе (для 32-разрядных данных). Быстродействие периферийных устройств постоянно увеличивалось, и всё чаще компоненты типа графических карт, жёстких дисков, контроллеров USB и гигабитных сетевых карт Ethernet вступали в битву за пропускную способность – потому, что данные по шине PCI желали одновременно передать несколько устройств.

Важным особенностью стандарта является поддержка режима plug-and-play. Его суть состоит в том, что после физического подключения внешнего устройства к разъему шины PCI происходит обмен данными между устройством и материнской платой, в результате которого устройство автоматически получает номер используемого прерывания, адрес порта подключения и номер канала прямого доступа к памяти.

FSB. Шина используется для связи процессора и памяти. Она имеет название Front Side Bus (FSB). Эта шина работает на очень высокой частоте 1333/1066/800 МГц. Частота шины FSB является одним из основных потребительских параметров – именно он и указывается в спецификации материнской платы. Пропускная способность шины FSB при частоте 100 МГц составляет порядка 800 Мбайт/с.

AGP. Это шина ускоренного графического порта. Интерфейс AGP, специально разработанный для графических карт в середине 90-х, обеспечивает 2 Гбайт/с в своей последней версии (AGP 8x)

PCI-Express. Новая шина предназначается для замены как PCI, так и AGP. Однако, несмотря на схожесть названия с PCI, она не имеет с ней ничего общего. PCI Express использует принцип последовательной передачи, который позволяет достичь более высоких тактовых частот. Шина обеспечивает одновременную передачу данных в двух направлениях с одинаковой скоростью.

На данный момент можно говорить о том, что слотом расширения для будущих материнских плат станет PCI Express x1. В данном случае "x1" означает, что слот будет использовать одну линию PCI Express, обеспечивающую пропускную способность 250 Мбайт/с (500 Мбайт/с, если учитывать пропускную способность в двух направлениях). Кроме того, периферийным устройствам больше не придётся конкурировать за пропускную способность, поскольку каждый слот обеспечивает индивидуальные 250 Мбайт/с в одном направлении.

Видеокарты подключаются к слоту PCI Express x16. Это означает использование 16 линий, что обеспечивает максимальную пропускную способность 4 Гбайт/с или 8 Гбайт/с, если сложить 4 Гбайт/с в обоих направлениях. Но суммарную пропускную способность всё же следует рассматривать как маркетинговое значение – оно не слишком актуально для конечных пользователей, поскольку для графики важна пропускная способность в одном направлении. Таким образом, шина PCI Express x16 имеет в 2 раза больше пропускную способность, чем AGP 8x для графических карт.

 

 

USB (Universal Serial Вus – универсальная последовательная магистраль). Это одно из последних нововведений в архитектурах материнских плат. Этот стандарт определяет способ взаимодействия компьютера с периферийным оборудованием. Он позволяет подключать до 256 различных устройств, имеющих последовательный интерфейс. Устройства могут включаться цепочками (каждое следующее устройство подключается к предыдущему). Производительность шины USB относительно невелика и составляет до 1,5 Мбит/с, но для таких устройств, как клавиатура, мышь, модем, джойстик и т. п., этого достаточно. Удобство шины состоит в том, что она практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в “горячем режиме” (не выключая компьютер) и позволяет объединять несколько компьютеров в простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

Технические характеристики USB 1.1:

– две скорости:

высокая скорость обмена – 12 Мбит/с

низкая скорость обмена — 1,5 Мбит/с

– максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена — 5 м

– максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена — 3 м

– максимальное количество подключённых устройств (включая размножители) – 127

– возможно подключение устройств с различными скоростями обмена

– напряжение питания для периферийных устройств – 5 В

– максимальный ток потребления на одно устройство – 500 мA

USB 2.0 отличается от USB 1.1 только большей скоростью и небольшими изменениями в протоколе передачи данных для режима Hi-speed (480 Мбит/сек). Существуют три скорости работы устройств USB 2.0:

Low-speed, 10÷1500 Кбит/c (используется для интерактивных устройств: клавиатуры, мыши, джойстики)

Full-speed, 0,5÷12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства)

Hi-speed, 25÷480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации)

Хотя в теории скорость USB 2.0 может достигать 480 Мбит/с (60 МБайт/с), устройства типа жёстких дисков и вообще любых носителей информации в реальности никогда не достигают такой скорости обмена по шине, хотя и могут развивать её. Это можно объяснить достаточно большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, другая шина FireWire хотя и обеспечивает максимальную скорость в 400 Мбит/с, что на 80 Мбит/с меньше, чем у USB, в реальности позволяет достичь больших скоростей обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации.

USB 3.0 должен прийти на смену современному стандарту версии 2.0 и принесет с собой десятикратное увеличение пропускной способности – до 4,8 Гбит/с, или 600 Мб/с, тогда как современный вариант USB 3.0 скорее всего появится в 2010 году.

IEEE 1394 (FireWire, i-Link) – последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами. Бурное развитие IEEE 1394 придало появление любительских DV камер. И сегодня IEEE 1394 практически монополизировал этот быстро развивающийся рынок. Сегодня любая, произведённая сегодня DV камера в обязательном порядке оснащается IEEE 1394 интерфейсом.

Главные особенности IEEE 1394:

– Цифровой интерфейс – позволяет передавать данные между цифровыми устройствами без потерь информации

– Небольшой размер – тонкий кабель заменяет груду громоздких проводов

– Простота в использовании – отсутствие терминаторов, идентификаторов устройств или предварительной установки

– Горячее подключение – возможность переконфигурировать шину без выключения компьютера

– Небольшая стоимость для конечных пользователей

– Различная скорость передачи данных – 100, 200 и 400 Мбит/с (800, 1600Мбит/с IEEE 1394b). Высокая скорость дает возможность обработки мультимедиа-сигнала в реальном времени

– Гибкая топология – равноправие устройств, допускающее различные конфигурации (возможность "общения" устройств без компьютера )

– Открытая архитектура – отсутствие необходимости использования специального программного обеспечения

– Наличие питания прямо на шине (маломощные устройства могут обходиться без собственных блоков питания). До полутора ампер и напряжение от 8 до 40 вольт

– Подключение до 63 устройств

– Последовательная шина вместо параллельного интерфейса позволила использовать кабеля малого диаметра и разъёмы малого размера.

– Питание внешних устройств через IEEE 1394 кабель

– Простота конфигурации и широта возможностей. Через IEEE 1394 может работать самое различное оборудование, причём пользователю не придётся мучиться вопросом, как это всё правильно подключить

– Поддержка асинхронной и синхронной передачи данных

Асинхронная передача означает, что данные обязательно будут доставлены в целости и сохранности, пусть и не всегда в срок. Получение каждого пакета проверяется и подтверждается, если пакет не дошёл, передача будет повторена заново.

Синхронная передача означает, что скорость и непрерывность потока важнее, чем сохранность данных. Если пакет пришёл с ошибкой, или не пришёл вообще, это даже не проверяется, не говоря уже о том, чтобы переслать пакет заново. Этот тип передачи отлично подходит для мультимедийных приложений, где потеря какой-либо части информации менее критична, чем большая задержка.

В 2004 году увидел свет стандарт IEEE 1394.1. Этот стандарт был принят для возможности построения крупномасштабных сетей и резко увеличивает количество подключаемых устройств до гигантского числа – 64449.


 

ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ

Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, которые способны накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно. Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем, весьма быстро. Если оперативную память постоянно не “подзаряжать”, утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы – триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. В настоящее время в процессорах Intel Pentium и некоторых других принята 32-разрядная адресация, а это означает, что всего независимых адресов может быть 232. Таким образом, в современных компьютерах возможна непосредственная адресация к полю памяти размером 232 = 4294967 296 байт (4,3 Гбайт). Однако это отнюдь не означает, что именно столько оперативной памяти непременно должно быть в компьютере. Предельный размер поля оперативной памяти, установленной в компьютере, определяется микропроцессорным комплектом (чипсетом) материнской платы и обычно составляет несколько сот Мбайт.

Одна адресуемая ячейка содержит восемь двоичных ячеек, в которых можно сохранить 8 бит, то есть один байт данных. Таким образом, адрес любой ячейки памяти можно выразить четырьмя байтами.

Представление о том, сколько оперативной памяти должно быть в типовом компьютере, непрерывно меняется. В середине 80-х годов поле памяти размером 1 Мбайт казалось огромным, в начале 90-х годов достаточным считался объем 4 Мбайт, к середине 90-х годов он увеличился до 8 Мбайт, а затем и до 16 Мбайт. Сегодня типичным считается размер оперативной памяти 512÷2048 Мбайт.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Если к разъемам есть удобный доступ, то операцию можно выполнять своими руками. Если удобного доступа нет, может потребоваться неполная разборка узлов системного блока, и в таких случаях операцию поручают специалистам.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения – однорядные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули). SIMM-модули можно применять только парами (количество разъемов для их установки на материнской плате всегда четное), а DIMM-модули можно устанавливать по одному. В настоящее время SIMM-модули ушли в историю, а более современные модули DIMM претерпели многократную модификацию – DIMM SDRAM, DIMM DDR, DIMM DDR II, DIMM DDR III.

Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и время доступа. В настоящее время DIMM-модули выпускаются объемом– 256, 512, 1024, 2048, 4096 Мбайт. Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти – чем оно меньше, тем лучше. Время доступа измеряется в наносекундах. Типичное время доступа к оперативной памяти для DIMM-модулей оно составляет менее 7 нс.


 

ЗВУКОВАЯ КАРТА

 

Звуковая карта явилась одним из наиболее поздних усовершенствований персонального компьютера. Она подключается к одному из слотов материнской платы в виде дочерней карты, но в последнее время практически все материнские платы имеют встроенную звуковую карту. Она выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Специальные разъемы позволяют отправить звуковой сигнал на внешние усилители. Имеется также разъем для подключения микрофона, что позволяет записывать речь или музыку и сохранять их на жестком диске для последующей обработки и использования.

Основным параметром звуковой карты является разрядность, определяющая количество битов, используемых при преобразовании сигналов из аналоговой в цифровую форму и наоборот. Чем выше разрядность, тем меньше погрешность, связанная с оцифровкой, тем выше качество звучания. Наибольшее распространение имеют 32-разрядные и 64-разрядные устройства. Вторым параметром является количество каналов воспроизведения. Чем больше каналов, тем более качественно звук можно воспроизвести (в том числе и стереозвук). В настоящее время подавляющее большинство встроенных звуковых карт имеет 8 каналов.

Обычная простая звуковая карта состоит из трех модулей. Первый модуль предназначен для цифровой записи, воспроизведения и обработки звука в цифровом представлении. При записи звук поступает в память машины через АЦП, при воспроизведении – сигнал подается на ЦАП, а с него на усилитель мощности, расположенный в активных колонках. Второй модуль – многоголосный частотный синтезатор звука, который позволяет генерировать сигналы сложной формы. Третий модуль – это интерфейсы внешних устройств, например GAME-порт.

В составе звуковых плат имеется также микшер. Он позволяет смешивать сигналы с линейного входа и микрофона. Управление амплитудой смешиваемых сигналов осуществляется программно.

В области воспроизведения звука наиболее сложно обстоит дело со стандартизацией. Отсутствие единых централизованных стандартов привело к тому, что ряд фирм, занимающихся выпуском звукового оборудования, де-факто ввели в широкое использование свои внутрифирменные стандарты. Так, например, во многих случаях стандартными считают устройства, совместимые с устройством SoundBlaster, торговая марка на которое принадлежит компании Creative Labs.


 

FLASH-ПАМЯТЬ

 

Систем хранения информации сейчас довольно много. Ее можно хранить на магнитных носителях, можно хранить на оптических и магнитооптических носителях. Но перед человеком в наше время также стоит довольно важная проблема – перенос информации из одного места в другое, а также не менее важная проблема хранения информации, и как следствие, надежность носителей. Именно поэтому так быстро развивались технологии, связанные с хранением информации.

Но именно здесь встает несколько проблем. Первая – это энергопотребление. Современная техника, такая как карманные компьютеры или MP3-плееры, обладает довольно ограниченными энергетическими ресурсами. Память, обычно используемая в ОЗУ компьютеров, требует постоянной подачи напряжения. Дисковые накопители могут сохранять информацию и без непрерывной подачи электричества, зато при записи и считывании данных тратят его за троих. Поэтому требовался носитель, который будет энергонезависимым при хранении и малопотребляющим энергию при записи и считывании информации. И тут хорошим выходом стала флэш-память. Носители на ее основе называются твердотельными, поскольку не имеют движущихся частей. И это еще одно преимущество данного типа памяти.

Изобретателем flash-памяти можно считать компанию Toshiba, которая в 1984 году уже начала производство микросхем. Четыре года спустя компания Intel «изобрела» свой «флэш-вариант», и теперь очень многие незаслуженно считают изобретателем именно ее.

По устройству чип флэш-памяти отдаленно напоминает микросхему динамической энергозависимой памяти, только вместо конденсаторов в ячейках памяти установлены полупроводниковые приборы – транзисторы. При подаче напряжения на выводы транзистора он принимает одно из фиксированных положений – закрытое или открытое. И остается в этом положении до тех пор, пока на выводы транзистора не будет подан электрический заряд, изменяющий его состояние. Таким образом, последовательность логических нулей и единиц формируется в этом типе памяти подобно ПЗУ – закрытые для прохождения электрического тока ячейки распознаются как логические единицы, открытые – как логические нули. Таким образом, в самом простом случае ячейка flash состоит из одного полевого транзистора.

В начале развития flash каждая ячейка памяти хранила один бит информации и состояла из одного полевого транзистора. Прогресс не стоит на месте, через несколько лет после выпуска были проведены успешные испытания flash, в которых ячейка хранила уже два бита. Естественно, что на такую память можно было записать в два раза больше информации. В настоящее время уже существуют четырехбитные и восьмибитные ячейки.

Теоретически наличие заряда в ячейке памяти означает 1, отсутствие 0, остальные значения представить невозможно. Но на самом деле, в микросхеме существует различие величин заряда, которые накапливаются на «плавающем» затворе. Благодаря этому различию, информация в ячейке может быть представлена различными битовыми комбинациями. Величину заряда на затворе можно определить измерением порогового (максимального) напряжения транзистора и по итогам этого измерения представить битовую комбинацию.

Преимущества флэш-памяти:

– независимость от наличия или отсутствия электрического питания

– долговременность хранения информации (производители гарантируют сохранность данных на протяжении 10 лет)

–высокая механическая надежность (в накопителях на базе флэш-памяти нет никаких механических устройств).

– небольшие размеры модулей памяти.

–широкая распространенность.

Недостатки флэш-памяти:

– высокая сложность устройства (транзисторы имеют микронные размеры)

– невысокое быстродействие (время изменения состояния транзистора больше, чем время заряда-разряда конденсатора): чтение – 5 Мбайт/с, запись – 3 Мбайт/с

– относительно высокая стоимость микросхем.

– данная память не выдерживает большое количество циклов записи/перезаписи. Сами производители официально подтверждают, что чипы flash не могут выдержать более 100 000 таких циклов.


 

ЖЕСТКИЙ ДИСК

 

Накопитель на жёстких магнитных дисках (НЖМД), жёсткий диск, хард, харддиск, HDD, HMDD или винчестер, – энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах.

Информация в НЖМД записывается на алюминиевые пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. Как правило, в НЖМД используется несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках 5÷10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

 

Характеристики

– Интерфейс – набор, состоящий из линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил обмена. Современные накопители могут использовать интерфейсы UDMA (IDE), Serial ATA, SCSI, SAS, FireWire, USB.

– Ёмкость – количество данных, которые могут храниться накопителем. Ёмкость современных устройств достигает 1500 Гб. Производители указывают неформатированную ёмкость (вместе со служебной информацией.

– Физический размер (форм-фактор) – почти все современные накопители для компьютеров и серверов имеют размер либо 3,5, либо 2,5 дюйма. Последние чаще применяются в ноутбуках. Получили распространение форматы – 1,8 дюйма, 1,3 дюйма и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторе 5,25 дюймов.

– Время произвольного доступа – от 3 до 15 мс, как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 – 3,7 мс), самым большим из актуальных – диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 – 12,5).

– Скорость вращения шпинделя – количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10000 (персональные компьютеры), 10000 и 15000 об./мин. (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).

– Надёжность – определяется как среднее время наработки на отказ.

– Количество операций ввода-вывода в секунду – у современных дисков это около 50 оп/сек при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп/сек при последовательном доступе.

– Потребление энергии – важный фактор для мобильных устройств.

– Уровень шума – шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.

– Сопротивляемость ударам – сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

– Скорость передачи данных:

· Внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с

· Внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с

– Объём буфера. Буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных (2008 год) HDD он обычно варьируется от 8 до 32 Мб.

Производители. Большая часть всех винчестеров производятся всего несколькими компаниями: Seagate, Western Digital, Samsung, а также ранее принадлежавшим IBM подразделением по производству дисков фирмы Hitachi. Fujitsu продолжает выпускать жёсткие диски для ноутбуков и SCSI-диски, но покинула массовый рынок в 2001 году. Toshiba является основным производителем 2,5- и 1,8-дюймовых ЖД для ноутбуков. Одним из лидеров в производстве дисков являлась компания Maxtor, известная своими «умными» алгоритмами кэширования. В 2006 году состоялось слияние Seagate и Maxtor.

 

Устройство

 

Жёсткий диск состоит из следующих основных узлов: корпус из прочного сплава, собственно жесткие диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя и блок электроники.

Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных, как правило, неодимовых, постоянных магнитов и катушки на подвижном блоке головок.

Вопреки расхожему мнению, жесткие диски не герметичны. Внутренняя полость жесткого диска сообщается с атмосферой через фильтр, способный задерживать очень мелкие (несколько мкм) частицы. Это необходимо для поддержания постоянного давления внутри диска при колебаниях температуры корпуса.

Пылинки, оказавшиеся при сборке в жёстком диске и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр – пылеуловитель.