Программирование, радиоэлектроника,
саморазвитие и частичка из моей жизни здесь...

Ретро ПК на 80486 - контроллер FDD/HDD/COM/LPT, жесткие и гибкие диски, дисководы 5.25, 3.5, ZIP

3-я часть. Обзор мультиконтроллера с VLB шиной под процессор 80486 для подключения HDD, FDD, COM, LPT,. Старые жесткие диски, ретро дискеты и дисководы на 5.25, 3.5, ZIP-100. Много технических подробностей. Более 40 фото и иллюстраций внешнего и внутреннего устройства!

Это третья статья из серии.

Предыдущие части:

  1. Ретро ПК на 80486 - история, особенности микропроцессоров 486.
  2. Ретро ПК на 80486 - материнская плата с VLB, SIMM память и кеш-память L2

Содержание:

  1. Контроллер интерфейсов для HDD/FDD/COM/LPT
  2. Карта-мультиконтроллер с поддержкой VLB
  3. О классическом LPT порте
  4. Кабели передачи данных (шлейфы)
  5. Старый жесткий диск (HDD, винчестер)
  6. Лимиты емкости дисков
  7. Разные старые жесткие диски ATA
  8. Жесткий диск для ПК на основе 80486
  9. Флоппи-дисководы FDD и дискеты на 3.5' и 5.25'
  10. Дискеты на 5.25'
  11. Дисковод на 5.25'
  12. Дискеты на 3.5'
  13. Floppy-дисковод на 5.25 дюймов
  14. Рекомендации по обращению с дисководами и дискетами
  15. Дисковод и дискеты Iomega ZIP 100
  16. В завершение

Контроллер интерфейсов для HDD/FDD/COM/LPT

Для получения в распоряжение интерфейсов IDE/FDD/COM/LPT многие из материнских плат под микропроцессоры 286/286/486 требовали установки внешней платы расширения - интерфейсного адаптера. Более новые модели системных плат под 486, как правило, содержали уже встроенный контроллер с набором основных интерфейсов.

В статье про старые системы на основе процессоров 286 и 286 я показал один из распространенных контроллеров интерфейсов PT-606G (Pine Technology), который устанавливается в 16-битный разъем ISA.

Здесь я рассмотрю также внешний контроллер, но по своему уникальный: имеет удлиненную форму, наряду со всеми необходимыми интерфейсами позволяет также обеспечить обмен данными с жестким диском через шину VLB, содержит коннектор под игровой порт (Game Port).

Вот как расшифровываются основные аббревиатуры, с которыми придется иметь дело:

  • HDD (Hard Disk Drive) - накопитель на жестких магнитных дисках, винчестер, "винт";
  • FDD (Floppy Disk Drive) - интерфейс для подключения накопителей на гибких магнитных дисках (ГМД), или как часто говорят - "флопиков";
  • COM (COMmunication) Port - последовательный коммуникационный порт, работающий по протоколу RS232 (Recommended Standard 232);
  • LPT (Line Print Terminal) - порт для подключения печатного терминала, а также других устрорйств.

Карта-мультиконтроллер с поддержкой VLB

Итак, встречайте мультиконтроллер с той самой "длинной шиной":

Контроллер интерфейсов IDE, FDD, COM, LPT - PW2578VL (Epotec 2 24V0), ISA + VLB

Рис. 1. Контроллер интерфейсов IDE, FDD, COM, LPT - PW2578VL (Epotec 2 24V0), ISA + VLB.

Этот контроллер попал мне в руки в частично нерабочем состоянии, а именно - не подавал признаков жизни порт для флоппи-дисковода. Причина дисфункции оказалась очень простой - неправильно выставленные джемпера. )

Кроме трех микросхем на плате можно увидеть еще кварцевый резонатор около W83757AF, резисторы и резисторные сборки, керамические конденсаторы, гребенки с пинами и перемычками, а также дроссель около подключения для игрового порта.

Основные характеристики адаптера:

  • Чипсет: Winbond W83758P, W83757AF + UMC UM8672F;
  • Разрядность шины: 16-bit ISA + 32-bit VESA local bus (VLB);
  • Размер платы: полная длина и половина высоты для типового форм-фактора;
  • Поддержка жестких магнитных дисков (HDD): 2 шт. IDE (AT);
  • Поддержка гибких магнитных дисков (FDD): 2 шт. на выбор 360KB, 720KB, 1.2MB, 1.44MB.

Коннекторы и разъемы на плате:

Обозначение Количество
контактов
Назначение Примечание
CON1 40 IDE HDD 2 устройства,
передача данных по VLB.
CON2 34 FDD 2 устройства.
CON3 40 IDE HDD 2 устройства,
передача данных по ISA.
(не распаян)
CON4 40   Для дополнительного модуля,
оснащенного функционалом
защиты от вирусов.
(не распаян)
CON5 16 Game Port Игровый порт.
CON6 10 Serial Port 1 RS232, последовательный COM-порт 1.
К нему подключен разъем на 9 пинов.
CON7 10 Serial Port 2 RS232, последовательный COM-порт 2.
CON8 25 LPT Параллельный порт 1.
J1 2 VLB LED Для светодиода, индикатор
активности HDD по VLB.
J5 2 ISA LED Для светодиода, индикатор
активности HDD по ISA.
(не распаян)

Пины, касающиеся ISA HDD, не распаяны, также отсутствуют выводы для подключения загадочной дочерной платы "DATA SECURITY & VIRUS PROTECT".

Документация по конфигурированию интерфейсов на плате PW2578VL - 7Zip архив 4.6 Кбайт.

О классическом LPT порте

Коснусь немножко истории параллельного порта, сокращение "LPT" для которого хорошо известно еще со времен MS-DOS. Если спросить тех кто застал еще эти порты как оно расшифровывается, то полученный ответ будет, скорее всего, выглядеть так: Local PrinTer.

И этот ответ является верным, наряду с другими, от которых и возникло это сокращение, например: Line PrinTer, Line Print Terminal, Local Print Terminal.

LPT применялся не только лишь для коммуникации с принтерами, к нему можно было подключать и другие устройства где возможностей COM-портов (скорости и количества линий передачи данных) было недостаточно, например:

  • Внешние накопители Zip Drive от компании Iomega, с гибкими магнитными дисками на 100MB, 250MB. Версия на 750 MB уже подключалась только по ATAPI, USB или FireWire;
  • Внешние накопители на лазерных CD-дисках;
  • Сканеры;
  • Модемы;
  • Джойстики и геймпады;
  • Другая электроника...

LPT-порт выводится наружу с помощью разъема D-25, содержащего 25 контактов (гнезд), из которых:

  • 2-9 (8 шт.) - шина данных (Data Bus, 8 bit)
  • 10-13 и 15 (5 шт.) - для контроля операций ввода (input Control)
  • 1, 14, 16 и 17 (4 шт.) - для контроля операций вывода (Output Control)
  • 18-25 (8 шт.) - GND, земля.

Сейчас такой порт можно применять по классически для печати, а также для разных экспериментальных целей, например:

  • Управление самодельными системами несложной и дешевой автоматизации на базе старого ПК;
  • Простая измерительная лаборатория на основе старых программ под DOS/Win: логические анализаторы, формирователи сигналов и т.п.;
  • Сборка системы управления станком с ЧПУ (Числовое Программное Управление);
  • и т.д.

Для чтения и управления состояниями нескольких линий сечас существуют более современные и удобные инструменты, например микросхемы-микроконтроллеры или тот же GPIO в Raspberry Pi.

Тем не менее, классические COM и LPT еще много где применяются, поскольку отлично поддерживаются фактически всеми существующими операционными системами как говорится "из коробки", просты в программировании и реализации подключений.

Кроме печати на принтере я использовал LPT-порт еще по разному: управлял некоторыми электронными самоделками с помощью написанных в разное время на Basic и Delphi программ, использовал для соединения двух компьютеров в домашнюю сеть.

Кабели передачи данных (шлейфы)

Для подключения накопителей данных к плате контроллера нужны специальные многожильные плоские кабели в виде ленты - шлейфы. Ниже на фото показаны несколько шлейфов для подключения жестких дисков, CD-приводов и других накопителей к компьютеру по интерфейсу PATA (Parallel ATA).

Соединительные кабели данных на 40 и 80 жилок для накопителей с интерфейсом подключения PATA, IDE (40 контактов)

Рис. 2. Соединительные кабели данных на 40 и 80 жилок для накопителей с интерфейсом подключения PATA, IDE (40 контактов).

Как видно, кабели выполнены в плоской форме, это необходимо чтобы ограничить взаимное влияние проходящих в проводниках сигналов, уменьшить количество помех.

К минусам такой формы можно отнести то, что размещение таких кабелей в небольшом системном блоке (Mini-Tower, Middle-Tower) может значительно ухудшить циркуляцию воздуха и обдувание компонентов где есть тепловыделение.

Шлейф посередине на фото отличается от двух остальных тем, что в нем не 40 жилок, а 80! Каждая из 40 жил сопровождается дополнительной заземляющей, таким образом между двумя соседними жилами данных расположена одна экранирующая, что способствует уменьшению взаимного влияния проводников по которым передаются данные, снижению уровня помех.

Такой кабель необходим в более новых компьютерах, где установлены более современные контроллеры, позволяющие получить гораздо большую скорость обмена данными между накопителем и системной платой.

Использование такого кабеля в системах на базе 486-го CPU практически лишено смысла, поскольку скорость обмена данными ограничена возможностями платформы и контроллера интерфейса.

К тому же, такое подключение может быть неосуществимым, поскольку на разъемах 80-жильного кабеля присутствует специальный ключ (выступ) со стороны 1-го гнезда, а также отсутствует гнездышко под 20-й пин, что делает невозможным подключение разъема к гребенке старого интерфейсного контроллера, в котором пин 20, как правило, присутствует. Такой же ключ встречается и у некоторых 40-жильных кабелей.

Разъемы 40-жильного и 80-жильного кабелей, а также гребенка пинов на старом контроллере ATA

Рис. 3. Разъемы 40-жильного и 80-жильного кабелей, а также гребенка пинов на старом контроллере ATA.

Ошибочная установка разъема не той стороной может повредить как сам контроллер накопителя, так и адаптер шины на материнской плате.

Такие кабели позволяют подключать до двух устройств на один порт, при условии их правильной конфигурации (Master/Slave/Cable select). Например, это может быть жесткий диск и дисковод CD-ROM.

Что касается шлейфов для подключения накопителей на гибких магнитных дисках, то тут также есть свои интересные особенности.

Кабели данных для подключения Floppy дисководов формата 5.25 и 3.5 дюйма, 38 жилок

Рис. 4. Кабели данных для подключения Floppy дисководов формата 5.25 и 3.5 дюйма, 38 жилок.

Шлейфы для подключения накопителей на гибких магнитных дисках (НГМД) содержат 38 проводников и могут содержать от двух до пяти 38-контактных разъемов для подключения к материнской плате и дисководам.

Разъемы для дисководов формата 5.25' и 3.5' отличаются, на шлейфе может присутствовать по два разъема каждого типа плюс еще один дополнительный для подключения к контроллеру интерфейсов.

В таком шлейфе каждый второй проводник соединен с общим (землей). Также сложно не заметить одну интересную особенность: жилки с 10-й по 16-ю перекручены, они отвечают за выбор дисковода и активизацию двигателя (A и B).

Таким образом, подключенный к разъему после "перекрутки проводов" дисковод будет автоматически опознан системой как первый накопитель (А), а тот что перед - как второй (B).

Назначение разъемов на шлейфе для Floppy дисководов с учетом перевернутых жилок

Рис. 5. Назначение разъемов на шлейфе для Floppy дисководов с учетом перевернутых жилок.

Также стоит упомянуть что в некоторых BIOS может присутствовать такая опция как "SWAP Floppy drive", позволяющая сделать логическое переназначение двух подключенных приводов для гибких магнитных дисков: тот что раньше виделся системой как A теперь будет B, а тот что B - станет A.

Старый жесткий диск (HDD, винчестер)

Что такое жесткий диск (ЖД) и почему он "жесткий"? - если кратко, то это высокоточное механическое устройство, внутри которого присутствует одна или несколько вращающихся жестких пластин (металл, стекло) с чувствительным магнитным слоем, над которым в воздухе парят магнитные головки, все это управляется с помощью небольшой электронной платы (контроллера).

Что такое винчестер? - это название нарезного оружия "Winchester", не имеющее ничего общего с компьютерами, кроме номера разработки "30-30", который во времена первых жестких дисков совпал с названием накопителя, имеющего две пластины по 30MB (одна фиксированная, а вторая - съемная). Поэтому название жестких дисков на профессиональном жаргоне часто можно услышать как: "винчестер", "винт".

Первые жесткие диски появились примерно в 1982 году и могли хранить до 10MB информации, с временем поиска 85мс и при скорости обмена данными до ~100KB/s.

Интерфейсы, основные параметры, как это работает

В компьютере на базе 80486 будет применяться жесткий диск с интерфейсом IDE. Еще более старым является интерфейс SCSI. Ниже привожу расшифровку основных сокращений, с которыми придется иметь дело:

  • IDE (Integrated Drive Electronics) или PATA (Parallel ATA) - интерфейс для подключения устройств накопителей информации, начал применяться с 1988 года;
  • ATA (Advanced Technology Attachment) - стандарт подключения к шине AT (ISA, 16 бит), применяется для обмена данными с жесткими дисками;
  • ATAPI (AT Attachment Packet Interface) - расширенная версия ATA, позволяющая подключать к интерфейсу ATA накопители другого типа: CD-ROM, DVD-ROM, MO (Magneto Optical) дисководы, накопители на магнитной ленте.
  • SCSI (Small Computer System Interface) - был стандартизирован и введен в эксплуатацию в 1986 году.

Название IDE "Integrated Drive Electronics" означает буквально "интегрированная в привод электроника", и ведь так и есть - электроника контроллера интерфейса располагается на самом жестком диске в виде платы с набором электронных компонентов и специальных микросхем.

Поэтому "IDE" - это общее название семейства накопителей данных, в которых механика привода с электроникой контроллера представляют собой одно единое устройство.

Системная плата без встроенной поддержки интерфейса ATAPI в BIOS не сможет загрузить ОС с CD-ROM диска. В системах MS Windows 95 и выше поддержка ATAPI уже встроена, а вот в MS DOS придется подгружать специальный драйвер.

В контексте этой статье есть смысл рассматривать два стандарта ATA:

  1. ATA (1988 год) - поддержка режимов PIO: 0, 1 и 2;
  2. ATA-2 (1996 год) - дальнейшее развитие ATA, также знакомое по названиям: EIDE (Enchanced IDE, расширенный IDE), Fast ATA, Ultra-ATA, Ultra-DMA. Работа в режимах PIO 0-4 и DMA 0-2.

PIO (Programmed Input/Output) - программный ввод и вывод данных, один из основных режимов работы с накопителями для стандарта ATA.

DMA (Direct Memory Access) - прямая передача данных в память. В контексте ATA здесь подразумевается что поступившие с ЖД данные передаются прямо в память, минуя центральный процессор.

Bus Master IDE - режим DMA, при котором собранное на системной плате интерфейсное устройство выполняет захват шины (становится главным), занимается обработкой запросов и передачей данных.

Максимальная скорость передачи данных для разных режимов:

  • PIO 0 - 3.3 MB/s;
  • PIO 1 - 5,2 MB/s;
  • PIO 2 - 8.3 MB/s;
  • PIO 3 - 11,1 MB/s;
  • PIO 4 - 16,67 MB/s
  • DMA Bus Master IDE 0 - 4,16 MB/s;
  • DMA Bus Master IDE 1 - 3,33 MB/s;
  • DMA Bus Master IDE 2 - 16,67 MB/s.

Режимы PIO 3 и 4 требуют достаточно высокой скорости обмена данными, поэтому они могут работать если контроллер IDE имеет доступ к локальной шине, например: Vesa Local Bus (VLB) или PCI.

Для старого ПК на основе 486-го и более ранних CPU будет достаточно режимов PIO 0-4. Bus Master IDE в DOS на старом ПК запустить не получится, поскольку нужна многозадачная ОС, специальные драйвера, поддержка этого режима устройствами, а также более поздняя версия BIOS с поддержкой этого режима и соответствующий чипсет системной платы.

На старых жестких дисках, как правило, указывается их геометрия и емкость в Мегабайтах. Основные данные геометрии HDD:

  • Cylinder (цилиндр) - совокупность всех доступных дорожек на всех пластинах при текущем положении блока магнитных головок (отсчет ведется с 0);
  • Head (головка) - считывающее и записывающее устройство на одной из сторон пластины (отсчет с 0);
  • Sector (сектор) - пронумерованный отрезок дорожки, хранящий некоторую минимально установленную единицу данных (отсчет с 1).

В самых первых накопителях все дорожки были разделены на равное количество секторов. На дорожках, которые находятся ближе к оси диска, плотность записи была гораздо большей чем на тех, которые ближе к краю диска.

Чтобы равномерно распределить плотность записи и уместить больше информации начала применяться так называемая "зонная запись", которая предусматривала разделение дорожек на разное и целесообразное количество секторов. Распределением секторов по дорожкам при зонной записи занимается контроллер накопителя.

Для лучшего представления я подготовил небольшую иллюстрацию:

Геометрия жесткого диска, головки, цилиндры, сектора, зонная запись

Рис. 6. Геометрия жесткого диска, головки, цилиндры, сектора, зонная запись.

При стабильной скорости вращении диска, расположенные на крайних дорожках (максимальный радиус) сектора оказываются доступны для магнитной головке записи/чтения на гораздо большей скорости чем те, которые располагаются ближе к оси.

Поэтому, там где требуется наибольшее быстродействие при обмене данными в накопителях с вращающимися дисками внутри, целесообразно хранить эти данные максимально ближе к началу диска (крайние дорожки с наибольшим радиусом), где наибольшая отцентровая скорость перемещения секторов.

Например, при проектировании сервера для хранения данных (файлы, база данных), первый раздел выделяли именно под хранение данных для частого и быстрого доступа к ним, а второй уже мог быть выделен под саму ОС и программы для обслуживания.

В рабочих станциях поступали по другому: первый раздел выделяли под ОС и программы (чтобы все быстро грузилось и было отзывчивым), а второй - под хранение данных (документы, мультимедиа), где скорость доступа не была критичным и влияющим на общее быстродействие показателем.

Я специально разобрал один (нерабочий) их двух старых жестких дисков от компании Seagate Technology чтобы показать как все в реальности устроено внутри:

Внутреннее устройство старого жесткого диска Seagate ST3145A

Рис. 7. Внутреннее устройство старого жесткого диска Seagate ST3145A.

Из того что не указано на рисунке можно еще отметить небольшую подушечку белого цвета, размещенную над блоком управления головками - это рециркуляционный фильтр, он служит для улавливания микрочастиц, которые могли отделиться от поверхности в процессе парковки головок в зарезервированной под это области.

Здесь механизм позиционирования головок построен на основе мощных магнитов и отклоняющей катушки индуктивности, а в более старых моделях накопителей за позиционирование головок мог отвечать небольшой шаговый двигатель.

Высокоточный шаговый микродвигатель с датчиком позиционирования от старого накопителя на жестких дисках

Рис. 8. Высокоточный шаговый микродвигатель с датчиком позиционирования от старого накопителя на жестких дисках.

На фото выше показан относительно небольшой шаговый движок, оснащенный датчиком позиционирования - пластинкой с насечками, которые при вращении пересекают луч от фото-излучателя к фото-датчику и таким образом позволяют высчитать угол поворота оси двигателя. Применялись и более массивные шаговые двигатели, в том числе и без обратной связи.

Итак, указав нужные номера цилиндра, головки и сектора в накопителе можно точно адресовать какой-то определенный сектор на содержащем одну или несколько пластин приводе. Такой способ адресации получил название CHS (от Cylinder Head Sector).

По мере увеличения объемов ЖД (рост числа доступных секторов) файловые системы столкнулись с числовыми ограничениями при адресации секторов. Решение проблемы оказалось простым: определенное количество секторов на диске начали собирать в кластера и адресовать уже эти пакеты данных, а не отдельные сектора.

Нулевая дорожка (номер 0) - очень важна, на ней хранится информация о разметке ЖД, данные о размещении таблицы файловой системы, а также первый сектор (номер 1), который является загрузочным. Повреждение нулевой дорожки накопителя может стать причиной его непригодности к использованию.

Размер сектора у большинства старых накопителей составляет 512 байт (половинка килобайта). Фактически это лишь размер хранящихся в секторе данных без учета еще нескольких десятков байт, которые отведены для обозначения заголовка сектора и его границ, а также для посчитанного значения контрольной суммы хранящихся в этом секторе данных.

Вот поэтому существуют такие определения как "неформатированная" и "форматированная" емкости диска, где в последнем варианте результирующим числом является сумма всех байтов куда возможно записать пользовательские данные без учета байтов, необходимых для хранения заголовков секторов и контрольных сумм.

Зная размер сектора и геометрию диска несложно рассчитать емкость всего устройства.

Например, возьмем тот же Seagate ST3145A, который я показал на фото выше, на его корпусе со стороны крышки указаны данные геометрии "1001 CYL-15 HEADS-17 SECT" - это значит:

  • 1001 цилиндр - на каждой из пластин размещается 1001 дорожка;
  • 15 головок - это не физическое, а логическое (условное) значение, поскольку для такого количества физических головок понадобилось бы 7 двухсторонних пластин + 1 односторонняя (в сумме 15 сторон, которые обслуживались бы 15-ю головками). Контроллер диска сам переводит это значение в физические параметры;
  • 17 секторов - каждая дорожка разбита на указанное количество частей.

Посчитаем объем накопителя: 1001 * 15 * 17 * 512 байт = 130690560 байт = 130.6 Мбайт.

Это десятичное значение, которым производители обозначают емкость диска и при котором 1MB = 1000KB = 1000000B. При установке такого ЖД в компьютер система будет видеть его размер в виде двоичного значения, где: 1 MB = 1024 KB = 1048576 B (1024*1024, 10242).

Таким образом, объем рассматриваемого ЖД будет отображен системой как: 130690560/(1024*1024) = 124,6 Мбайт.

Неудобство способа адресации CHS - в необходимости учета геометрии диска, поэтому на смену ему пришел более удобный и эффективный LBA.

LBA (Logical Block Addressing) - способ адресации секторов накопителя, при котором не учитывается геометрия диска и для получения доступа к сектору достаточно лишь знать его целочисленный номер.

Адрес (число) нужного сектора в LBA можно вычислить по формуле:

[номер_сектора_S] - 1 + [секторов_в_дорожке] * ([номер_головки_H] + [номер_цилиндра_C] * [количество_головок])

Парковка головок - процесс отвода парящих над диском головок в безопасное место (как правило, это несколько цилиндров начиная от оси вращения диска, где не будут храниться никакие данные) для последующей подготовки к отключению питания. Это нужно чтобы при остановке вращения пластин магнитные головки не повредили поверхность диска с данными.

Перед выключением компьютера в старых накопителях приходилось парковать головки ЖД программным способом.

Я раньше на своем 286-м ПК с диском 40MB имел специальную программку под названием "shutdown.exe", которую на всякий случай запускал перед каждым отключением питания. Она выводила на экран тумблер красного цвета с анимацией переключения, который показывал что головки ЖД припаркованы и можно безопасно "тушить" систему.

Результат запуска программы shutdown.exe для парковки головок жесткого диска в старом ПК

Рис. 9. Результат запуска программы shutdown.exe для парковки головок жесткого диска в старом ПК.

В более современных ЖД процесс парковки головок уже был автоматизирован.

Также стоит сказать пару слов о процессе форматирования, поскольку с ним точно придется столкнуться работая как с жестким, так и с гибким магнитным диском (дискеткой).

Форматирование низкого уровня (Low Level Format) - процесс разметки поверхности диска на физическом уровне: разбивка на дорожки и сектора, установка промежутков между дорожками и секторами, а также формирование и запись заголовков для каждого из секторов.

Форматирование высокого уровня (High Level Format) - процесс создания логических структур файловой ситемы: запись оглавления диска и таблицы размещения файлов FAT (Files Allocation Table).

Думаю теперь понятно почему "быстрое форматирование" диска в разных ОС является действительно быстрым. В отличии от низкоуровневого форматирования здесь не записываются изменения в заголовки и данные всех секторов, а всего лишь создается новый заголовок диска и чистая таблица размещения файлов.

Это далеко не вся информация о работе ЖД. Тем не менее, ее понимания будет достаточно для выполнения нужных операций по настройке и использованию диска.

Как видите, жесткий диск - это достаточно сложное и умное устройство, маленький компьютер с электроникой, которая способна приспосабливаться к разным условиям, выполнять авто калибровку и много другой рутинной работы по расчетам и управлении быстродействующей механикой.

Стоит упомянуть еще об одной важной технологии, связанной с накопителями данных - SMART.

S.M.A.R.T (SMART) - Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology, технология самодиагностики, мониторинга и сбора данных о состоянии накопителей на жестких дисках, SSD (Solid State Drive, твердотельные накопители), eMMC (embedded Multi-Media Controller) устройствах хранения.

Фактически, это набор периодических само-тестов накопителя данных, с сохранением внутри памяти диска собранной статистической информации: о физическом состоянии, температуре, продолжительности работы, количестве ошибок в работе механики, наличии сбойных секторов или ячеек памяти и т.д.

Наиболее критичными из всех рапортируемых SMART параметров являются следующие:

  1. Reallocated Sectors Count - количество перемещенных секторов, что по факту является количеством обнаруженных плохих секторов с последующим их перемещением и маркировкой (remapping);
  2. Reallocation Event Count - количество операций по переносу сбойных секторов;
  3. Current Pending Sector Count - количество секторов, которые показали себя как нестабильные при чтении, фактически может быть сигналом образования сбойных секторов и появления дефектов на поверхности диска;
  4. Uncorrectable Sector Count - количество неисправляемых ошибок при чтения/записи сектора на диске;
  5. Spin Retry Count - количество попыток разогнать шпиндель с дисками для достижения установленной скорости вращения.

Если значение любого из параметров с номерами 1-4 больше нуля, то это значит что на поверхности диска начали возникать дефективные области.

Рост значения параметра "Spin Retry Count" свидетельствует о возможных проблемах с механикой раскрутки дисков или же нехваткой питания.

При увеличении значения любого из этих параметров желательно как можно быстрее сделать резервную копию данных и заменить накопитель на новый.

Также не помешает подумать о том, могло ли какое-то внешнее воздействие в помещении или в корпусе ПК стать причиной возникновения дефектов на ЖД:

  1. Высокая температура, перегрев диска: в помещении очень жарко, возле жесткого диска находится какой-то компонент что перегревается...
  2. Высокий уровень вибрации: в помещении работает какое-то устройство (например станок) с высоким уровнем вибрации, прослушивание громкой музыки с обилием низких частот, слушая музыку в наушниках оператор любит "потопать" ногой возле системника (лично сталкивался с такими историями)...
  3. Проблемы с питанием, электромагнитные помехи: периодически пропадает электричество и ПК выключается, используется дешевый некачественный блок питания, источник питания ПК перегружен большим количеством подключенных к нему устройств...

Проверив эти варианты возможно удастся найти и устранить причину по которой может быть испорчен еще не один жесткий диск в ПК.

Лимиты емкости дисков

В зависимости от применяемого интерфейса и версии BIOS можно столкнуться с лимитами на распознаваемый системой размер диска. Большинство BIOS для старых систем используют CHS-адресацию и это позволяет получить доступ к четко ограниченному числу секторов.

Ограничения значений параметров CHS для BIOS выглядят вот так:

  • Цилиндров: 0-1023 (всего 1024);
  • Головок: 0-255 (всего 256);
  • Секторов: 0-63 (всего 64).

Например, в BIOS старого компьютера не получится задать число головок числом большим чем 255. Ниже показано фото AMI BIOS, где попытка задать число головок (Hd, Heads) равным 256 для накопителя заканчивается выводом буквы "E" (Error, Ошибка) и звуковым сигналом.

Пример попытки задать 256 головок в параметрах геометрии жесткого диска, классический графический AMI BIOS

Рис. 10. Пример попытки задать 256 головок в параметрах геометрии жесткого диска, классический графический AMI BIOS.

Поскольку номера секторов отсчитываются с единицы, а не с нуля (как для цилиндров и головок), то возможное количество секторов у старых BIOS ограничено в количестве 63.

Не сложно посчитать лимит доступных секторов: 1024 * 256 * 63 = 16515072. Размер данных в одном секторе становит 512 байт, а суммарный размер данных, которые можно записать с такими лимитами геометрии: 

16515072 * 512 байт = 8455716864 байт (8.4 Гб при расчете 1 КБ = 1000 байт, и 7.875 Гб при расчете 1 КБ = 1024 байт).

Причина этому - прерывание INT 13h (INT13, Interrupt 13), которое определено в BIOS и используется для доступа к секторам жесткого диска, опираясь на данные его геометрии (CHS).

Прерывание - специальный системный вызов, заставляющий микропроцессор прервать выполнение последующей инструкции и переключиться на исполнение закрепленного за этим номером прерывания кода, по его завершению управление будет возвращено программному коду начиная с того участка, где его выполнение было прервано.

Кроме ограничения параметров CHS в BIOS есть еще лимиты параметров и для самого интерфейса ATA:

  • Цилиндров: 0-65535 (всего 65536);
  • Головок: 0-15 (всего 16);
  • Секторов: 0-255 (всего 256).

Если ограничения CHS в BIOS и интерфейса ATA совместить, то получится такая же ситуаци как и с лимитами CHS в BIOS, только допустимое число головок уменьшится с 256 до 16!

Посчитаем что же теперь получается:

1024 * 16 * 63 * 512 байт = 528482304 (528 Мб в десятичном значении и 504 Мб в двоичном).

Таким образом, подключив жесткий диск на 4 Гб к системе со старым BIOS, который поддерживает только адерсацию CHS, получится нелепая ситуация с невозможностью использовать такой накопитель даже на половину его объема.

Для старого компьютера под ОС ДОС можно попробовать применить специальные программы, которые прописываются в загрузочный сектор (MBR) диска и при загрузке перерабатывают вызовы INT13, что и позволяет обойти ограничение в 504 МБ.

MBR (Master Boot Record) - первый сектор физического накопителя, размещенный на "нулевой дорожке", содержит таблицу разметки диска, а также загрузочный код.

Вот несколько таких программ под MS-DOS, способных помочь в преодолении ограничения "504MB" (528MB):

  1. "Disk Manager" от широко известной компании "OnTrack Computer Systems" (Kroll Inc);
  2. "SpeedStor" - от компании "Storage Dimensions, Inc.";
  3. "EZ Drive" или "EZ-Drive/EZ-BIOS" - от компании "Micro House" (StorageSoft).

Для обхода ограничения прерывания INT13, в более позние версии BIOS начали встраивать специальные настройки трансляции параметров геометрии диска, которые преобразовывали их в приемлимый вид:

  1. ECHS (Extended CHS) - математический способ, пересчет физических параметров и "подгонка" их к приемлимому (удовлетворяющему лимитам) логическому виду;
  2. LBA (Logical Block Address) - трансляция параметров геометрии диска в единое число, которое адресует любой отдельно взятый сектор. Об LBA этом было сказано немного выше в статье.

Как обойти ограничение в 8.4Гб? - использовать многозадачную ОС, в которой прерывание INT13 используется лишь на начальных этапах загрузки, а вся дальнейшая работа с диском ведется yчерез специльный ATA-драйвер с прямыми обращениями к контроллеру накопителя.

Среди таких ОС: MS Windows на ядре NT версии 4.0 и выше, GNU/Linux, FreeBSD, ReactOS и другие.

Если при сборке ретро-ПК на материнской плате под 80486 планируется использовать накопители большого (как для такого компьютера) объема, то стоит внимательно изучить настройки BIOS на предмет возможности включения трансляции ECHS или LBA.

Разные старые жесткие диски ATA

Ниже привожу небольшую подборку стареньких жестких дисков с интерфейсом ATA, отличающихся своим исполнением, внешним видом, а также объемом доступного дискового пространства: от 400 Mb до 20 Gb.

Старые жесткие диски Seagate Medalist 3210 (ST33210A), Conner CFS420A и Seagate Medalist ST31276A

Рис. 11. Старые жесткие диски Seagate Medalist 3210 (ST33210A), Conner CFS420A и Seagate Medalist ST31276A.

Вид на накопители Seagate Medalist 3210 (ST33210A), Conner CFS420A и Seagate Medalist ST31276A со стороны платы контроллера

Рис. 12. Вид на накопители Seagate Medalist 3210 (ST33210A), Conner CFS420A и Seagate Medalist ST31276A со стороны платы контроллера.

Первый из накопителей - от компании Seagate:

  • Размер дискового пространства - 3.2 Гб;
  • Поддерживает режим Ultra ATA (ATA-33);
  • Поддерживает S.M.A.R.T;
  • Оснащен буффером на 256 Кб;
  • Скорость вращения шпинделя - 5400 rpm (rotations per minute, оборотов в минуту);
  • Среднее время поиска - 9.5 ms;
  • Уровень шума - 30 dBA.

Seagate Technology PLC (Seagate) - американская компания, начавшая свой путь с 1978 года и специализирующаяся на технологиях хранения данных.

Внешне этот накопитель особен тем, что плата его контроллера полностью экранирована - электронные компоненты скрыты под металлической пластиной, на которой присутствует наклейка с разной полезной информацией.

Вот что находится под крышкой:

Электроника контроллера диска Seagate Medalist ST33210A под экранирующей крышкой

Рис. 13. Электроника контроллера диска Seagate Medalist ST33210A под экранирующей крышкой.

Эта технология называется "Seagate SeaShield" и служит для защиты электроники от повреждений статическим электричеством. Такие экранировочные крышки можно было встретить на жестких дисках компании Seagate серий "Medalist" и "Barracuda".

Также можно видеть, что основные микросхемы контроллера прижимаются к пластине через поролон, что в процессе работы накопителя может способствовать отводу части выделяемого ими тепла на эту пластину и металлический корпус устройства.

Второй накопитель - Conner CFS420A от компании Conner Peripherals:

  • Размер дискового пространства - 420 Мб (0.42 Гб);
  • Буффер - 32 Кб;
  • Скорость вращения шпинделя - 3600 rpm;
  • Среднее время поиска - 14 ms;
  • Уровень шума - 47 dBA.

Conner Peripherals (Conner) - компания, основанная в 1985 году и занимающаяся производством жестких дисков для персональных компьютеров.

Третий накопитель - Seagate Medalist ST31276A, выполнен уже без защитного кожуха:

  • Размер дискового пространства - 1.2 Гб;
  • Поддерживает S.M.A.R.T;
  • Буффер - 64 Кб;
  • Скорость вращения шпинделя - 4500 rpm;
  • Среднее время поиска - 12 ms;
  • Уровень шума - 34 dBA.

Теперь покажу еще несколько старых накопителей немного большего объема, в разном исполнении:

Старые накопители на жестких дисках Seagate ST320410A, Fujitsu MPC3064AT и Quantum Fireball CR84A011

Рис. 14. Старые накопители на жестких дисках Seagate ST320410A, Fujitsu MPC3064AT и Quantum Fireball CR84A011.

Накопители Seagate ST320410A, Fujitsu MPC3064AT и Quantum Fireball CR84A011 - вид на платы контроллеров

Рис. 15. Накопители Seagate ST320410A, Fujitsu MPC3064AT и Quantum Fireball CR84A011 - вид на платы контроллеров.

Первый диск - ST320410A, "джентльмен в черном смокинге" от компании Seagate из бюджетного ценового сегмента:

  • Размер дискового пространства - 20 Гб;
  • Поддерживает режимы передачи данных вплоть до Ultra DMA 5;
  • Поддерживает S.M.A.R.T;
  • Буффер - 2 Мб;
  • Скорость вращения шпинделя - 5400 rpm;
  • Среднее время поиска - 8.9 ms;
  • Уровень шума - ?.

Этот диск выпускался уже в более позднем 2002 году.

Корпус устройства обернут в резиновый кожух, который защищает электронику контроллера. На кожухе наклеена этикетка с маркировкой и техническими данными.

Вот как выглядит этот "джентльмен" без своего "костюма":

Накопитель Seagate ST320410A со снятым резиновым кожухом

Рис. 16. Накопитель Seagate ST320410A со снятым резиновым кожухом.

Второй диск на фото (из трех) - Fujitsu MPC3064AT:

  • Размер дискового пространства - 6.4 Гб;
  • Поддерживает режимы передачи данных до ATA-33;
  • Поддерживает S.M.A.R.T;
  • Буффер - 256 Кб;
  • Скорость вращения шпинделя - 5400 rpm;
  • Среднее время поиска - 10 ms;
  • Уровень шума - ?.

Fujitsu Limited (Fujitsu) - компания из Японии, начавшая свой путь в далеком 1935 году, мировой производитель технологического оборудования.

Последний накопитель на фото - Quantum Fireball CR (CR84A011):

  • Размер дискового пространства - 8.4 Гб;
  • Поддерживает режимы передачи данных до ATA-66;
  • Поддерживает S.M.A.R.T;
  • Буффер - 512 Кб;
  • Скорость вращения шпинделя - 5400 rpm;
  • Среднее время поиска - 9.5 ms;
  • Уровень шума - ?.

Quantum Corporation - американская компания, специализирующаяся на технологиях хранения и обработки видео-данных. Была основана в 1980 году и до 2001-го занималась производством жестких дисков, позже продала этот сегмент бизнеса компании Maxtor.

Quantum Fireball - брендовое название жестких дисков компании, выпускаемых с 1995-го года.

Как видите, все эти диски отличаются не только лишь внешним видом и объемом хранимых данных, но и другими значимыми параметрами, среди которых: режимы передачи данных, среднее время поиска (доступа), размер буффера. 

Приведена лишь часть характеристик, тем не менее, их достаточно чтобы оценить производительность выбранного диска и обдумать варианты его будущего применения.

Жесткий диск для ПК на основе 80486

Итак, стал вопрос: какой же диск выбрать для данной статьи и экспериментов? - мой выбор пал на Seagate Medalist ST31276A размером 1.2 Gb (1275 MB).

Возможно вы удивлены почему это не "джентльмен в смокинге" на 20 Gb или симпатичный Seagate c экранировкой на 3.2 Gb...

Попробую объяснить свой выбор.

ATA накопитель на жестких дисках - Seagate Medalist ST31276A размером 1.2 Gb (1275 MB)

Рис. 17. ATA накопитель на жестких дисках - Seagate Medalist ST31276A размером 1.2 Gb (1275 MB).

Ретро накопитель на жестких дисках Seagate Medalist ST31276A (1.2 Gb), плата контроллера ATA

Рис. 18. Ретро накопитель на жестких дисках Seagate Medalist ST31276A (1.2 Gb), плата контроллера ATA.

Прежде всего - этот диск имеет имеет свою особенную, связанную со мной историю.

Где-то после середины 200х годов появились, основанные на флешь-памяти, миниатюрные переносные накопители с интерфейсом USB - в народе просто "флешки". Круто было носить в кармане накопитель размером с свисток и объемом данных 64-128 Мб, а 256 Мб - вообще шик.

На то время мне уже явно не хватало 128-256М для переноса данных с рабочего ПК на домашний и обратно, поэтому я уже пару лет как использовал свою, более производительную "флешку" с объемом 1200 Мб!

Подключать такой накопитель было немного неудобно - приходилось снимать крышку системного блока и подключать два коннектора (шлейф данных и питание). Но эти неудобства сполна компенсировались: объемом хранимых данных, надежностью и сравнительно гораздо более высоким быстродействием.

Носил я эту "флешку" с собой примерно так: помещал устройство в антистатический пакет (в которых продаются современные ЖД), иногда обматывал сверху еще небольшим полотенцем, и помещал в сумку. Получалось достаточно просто и надежно.

Учитывая все прошедшее с того момента время и время активного использования этого накопителя, на поверхности его дисков не образовался ни один сбойный сектор, состояние поверхности по данным программы MHDD - просто отличное.

Еще одним критерием к выбору этого диска стал характерный "классический" звук его работы, а если точнее - работы механизма позиционирования головок.

После раскрутки шпинделя с дисками (4500 оборотов в минуту), накопитель почти не шумит и его практически не слышно - нет надоедливого высокочастотного свиста работы движка шпинделя, нет и заметно-слышимой, отдаваемой на корпус ПК или стол вибрации.

Но стоило только начать обмен данными с этим диском, как из этой симпатичной алюминиевой коробочки начинал издаваться веселый треск - трудился механизм по перемещению магнитных головок.

С одной стороны, этот звук в комнате (офисе) как-бы привлекал некоторое внимание, но с другой - он сильно не "нагружал" слух, и у тех кто был связан с компьютерами мог вызвать даже небольшую улыбку на лице. )

Внутри этой чудо-коробочки содержится два физических магнитных диска и четыре обслуживающих их поверхности магнитные головки.

Геометрия диска:

  • Cylinders - 2482;
  • Heads - 16;
  • Sectors - 63.

2482 * 16 * 63 * 512 =  1280950272 байт.

Десятичное значение размера - 1.28 Gb, а двоичное - 1.19 Gb.

Накопитель обладает следующими возможностями: DMA, LBA, SMART, Power Management.

Параметры передачи данных:

  • Контроллер диска - Enchanced IDE (ATA-2)
  • Режимы передачи данных: PIO 0-4, DMA 0-2

Как было сказано в этом разделе выше, скорость передачи данных для режима PIO-4 может достигать 16.6 Мб/сек. В компьютере с 486-м ЦП даже половины этой скорости жесткого диска хватит чтобы все работало вполне комфортно.

Подробные данные о накопителе на жестких дисках можно узнать с помощью специализированных программ сбора информации о системе под DOS, например - NSSI (Navratil Software System information) от чешских разработчиков.

Также удалось найти мануал для этого накопителя, 92! страници разной технической информации - PDF документ  (367 КБ).

Насчет того хватит ли объема диска 1.2 Гб для DOS + Windows 3.11 + Windows 95 + приложения и игры? - хватит, поскольку вместе с ним я буду использовать накопитель Iomega ZIP + пачку дискет по 100 Мб.

Флоппи-дисководы FDD и дискеты на 3.5' и 5.25'

Кроме Zip'а, о котором расскажу в следующем разделе, также будут использоваться классические дисководы с дискетами формата 3.5' и 5.25'. Дальше пойдет речь о их истории и устройстве.

Первый накопитель для гибких магнитных дисков был создан еще в далеком 1967 году Аланом Шугартом (Alan Shugart) в лаборатории компании IBM. Идея по созданию гибкого магнитного диска (дискеты) в защитном пластиковом кожухе с подкладкой из ткани принадлежит Дэвиду Ноблю (David Noble).

Первая дискета была в виде квадрата с размером стороны 8 дюймов, что равно примерно 20.4 сантиметра (из расчета 1 дюйм = 2.55 см).

Двумя годами позже Алан вместе с многими другими инженерами покинули компанию IBM и в 1976-м году фирмой Shugart Associates был представлен дисковод и дискеты на 5.25 дюймов (13.3875 см).

Еще двумя годами позже в 1978-м году была основана компания Shugart Technology, которая потом была переименована в Seagate Technology - всемирно известного производителя устройств для хранения данных.

В 1983-м году мир увидел новый накопитель и дискеты в еще более компактном формате 3.5 дюйма (8.925 см), на этот раз уже выпущенный компанией Sony.

На компьютерах того времени, с которыми мне приходилось работать, везде были установлены уже более новые дисководы для работы с дискетами на  3.5'. Поэтому, разборка и изучение внутренностей, а также работа с приводом и дискетами на 5.25' вызывают у меня некий ранее неудовлетворенный интерес.

Дискеты на 5.25'

Откуда взялось слово "Дискета"? - оно является производным от двух отдельных слов: "Диск" и "Кассета". Дискетой является кассета с находящимся внутри гибким диском, на поверхность которого нанесено магниточувствительное покрытие.

Первые дискеты представляли собой гибкий пластиковый конверт, внутри которого располагался гибкий магнитный диск.

Как выглядят дискеты формата 5.25 дюйма

Рис. 19. Как выглядят дискеты формата 5.25 дюйма.

В процессе своего исторического развития пятидюймовые дискеты форматировались под разный объем данных: 90 КБ, 140 КБ, 400 КБ. 500 КБ и т.д. Из основных стандартных форматированных размеров можно выделить следующие: 360 КБ, 720 КБ и 1200 КБ (1.2 МБ).

Думаю первым что бросается в глаза при взгляде на такую дискету - это часть магнитного диска, которую видно через вытянутое закругленное отверстие. Оно служит для доступа магнитных головок дисковода к поверхности вращающегося внутри конверта диска.

Около отверстия для магнитных головок можно видеть две рельефные выемки, они используются для точного позиционирования конверта с дискетой в дисководе.

С левой стороны дискеты на фото можно видеть небольшую прорезь - это окошко разрешения записи. Если его заклеить, то при запись/изменение данных на дискете станет невозможной.

Можно было встретить дискеты с отсутствующим окошком разрешения записи, они как правило продавались уже  с записанными на них какими-то программами, а отсутствие окошка служило защитой от изменения информации.

В центре конверта расположено большое круглое отверстие - оно предназначено для сцепления конусообразной насадки вращающего привода дисковода с магнитным диском.

Возле приводного отверстия в конверте имеется еще одно, но очень меленькое - оно называется "индексным". Такое же отверстие можно увидеть и на самом диске, если его аккуратно немного повращать внутри. Оно служит для определения позиции магнитного диска в дисководе и дальнейшего контроля за его вращением внутри.

Что до внутренней конструкции такой дискеты, то она предельно проста:

Конструкция гибкого магнитного диска (дискеты) на 5.25 дюйма

Рис. 20. Конструкция гибкого магнитного диска (дискеты) на 5.25 дюйма.

Кроме особенностей, о которых я рассказал выше, здесь можно выделить подкладки из ворсистой ткани - они предотвращают износ поверхности магнитного диска и стабилизируют его (защищают от вибрации) внутри конверта. Об остальные элементах я уже рассказал выше.

Об устройстве привода я расскажу на реальном примере.

Дисковод на 5.25'

Подаренный мне одним моим знакомым дисковод "MITSUMI" по своему состоянию я бы оценил на 7 из 10:

  • Видны небольшие следы коррозии металла верхней крышки, а также на некоторых деталях;
  • Много пыли и мусора внутри - это устройство уже давно "не шевелилось" и не чувствовало "электронов в своих жилах";
  • Немного пожелтевшая передняя панель из пластика - если протереть ватой со спиртом то вполне еще будет ничего так;
  • Обратная сторона в достаточно хорошем состоянии, на платах не видно никаких признаков повреждений.

Mitsumi Electric Co., Ltd. - японская компания, производитель электронных компонентов для различных цифровых и аналоговых устройств, была основана в 1954 году.

Привод MITSUMI для магнитных дискет на 5.25 дюйма, устройство нуждается в чистке

Рис. 21. Привод MITSUMI для магнитных дискет на 5.25 дюйма, устройство нуждается в чистке.

В целом состояние неплохое, если все разобрать и почистить то устройство думаю что будет работать вполне исправно.

Вся основная электроника собрана на двух платах. Одна из них содержит электронный двигатель привода со своим контроллером, а также части двух оптических индикаторов: присутствия носителя в дисководе и наличия в нем окошка защиты от записи.

Вторая - весь "мозг" устройства, на ней расположен разъем данных и от нее идут провода к разъему питания. К этой же плате подключен шаговый двигатель системы позиционирования магнитных головок устройства, а также провода от светодиода на лицевой панели и ответных частей оптических датчиков.

Оптический датчик в данном случае - это пара светодиод+фотодиод. При пересечении или ограничении света от светодиода к фотодиоду устройство узнает что датчик изменил свое состояние в привязанной к нему позиции.

На платах расположены следующие микросхемы:

  • LB1656 - драйвер для управления шаговым двигателем;
  • A1073Q - специализированный чип от Sony Corporation;
  • D91373GB 9306KP701 - чип от Mitsumi Electric Co., Ltd.
  • A13483 - драйвер электромотора привода.

Интерфейс для подключения дисководов гибких дисков к контроллеру получил название SA-400 (Shugart Associates) и применяются разными производителями дисководов в качестве стандарта еще с 70-х годов. Разъем такого интерфейса содержит 34 контакта.

Максимальная скорость передачи данных контроллеров (не дисководов) для ГМД - 1Мбит/сек. (128Кбайт/сек.).

Дисковод для пятидюймовых дискет, крепление и маркировка с боковой стороны

Рис. 22. Дисковод для пятидюймовых дискет, крепление и маркировка с боковой стороны.

На одной из боковых сторон приведена маркировка устройства: NEWTRONICS CO.,LTD. MITSUMI MADE IN JAPAN MODEL D509V3. Также указано что для питания нужны постоянные напряжения (Direct Current): 5V и 12V.

floppy-drive-5-25-inches-dirty-inside

Рис. 23. Разобранный дисковод для дискет на пять дюймов, вид внутри (перед очисткой).

Пыли оказалось внутри больше чем я ожидал, придется разбирать всю механику для полной очистки.

Слева, под шаговым двигателем, можно видеть блок позиционирования магнитных головок. Они используются для в режиме чтения и записи (универсальные) для каждой из двух сторон магнитного диска. Та что ниже - 0-я, а та что выше над ней - 1-я.

Магнитная головка - это состоящая из множества витков тонкого провода катушка, намотанная на сердечник изготовленный из мягкого сплава железа.

При перемещении сердечника по намагниченной поверхности гибкого диска в катушке возникают очень слабые электрические сигналы - так осуществляется считывание данных.

При подаче на катушку индуктивности электрического сигнала некоторой величины, вокруг нее и в сердечнике возникает магнитное поле, которое также может менять состояние намагниченности поверхности диска - так выполняется запись данных.

Конструктивно магнитная головка для флоппи-дисковода является более сложным устройством, состоящим из нескольких катушек индуктивности и сердечников в одном устройстве. Об этом я расскажу более подробно в разделе про дисковод на 3.5 дюйма.

Подключение универсальных головок к плате управления осуществляется гибкими шлейфами, способными выдержать многократные изгибы с ограничением по его радиусу.

При работе привода с носителем, магнитные головки с помощью небольших пружинок с каждой из сторон прижимаются к поверхности диска и в процессе чтения и записи пребывают с ней в постоянном контакте.

Привод головок осуществляется шаговым двигателем с помощью червячной передачи в направлении к центру диска и от него, выполняя ограниченное линейное перемещение.

Каждый шаг (изменение положения вала на фиксированный угол) такого двигателя вызывает поступательное смещение блока головок на одну дорожку. В большинстве дисководов, один шаг такого двигателя равняется повороту вала на угол 3.6° (48 TPI) или 1.8° (96 или 135 TPI).

TPI (Tracks Per Inch) - количество треков (дорожек) на один дюйм (примерно 2.55 см), обозначение меры плотности записи на магнитном диске.

Еще одной мерой исчисления плотности записи на диск является BPI.

BPI (Bits Per Inch) - количество данных, которые можно записать в пределах одного дюйма длины отдельно взятой дорожки.

По середине дисковода виден пластмассовый конус с помощью которого магнитный диск дискеты точно центрируется и прижимается к металлическому конусу привода, который расположен ниже.

Скорость вращения привода диска - фиксированная, составляет обычно 300 оборотов в минуту (300 об./мин. или 5 об./сек). В дисководах 5.25 высокой плотности (HD, High Density) на 1.2Мб диск вращался с немного большей скоростью - 360 об./мин.

Таким образом, вращая магнитный диск и перемещая головки от центра диска и к нему, можно выполнять чтение и запись фактически на любой части диска, которая доступна разрешающей способностью механики (червячного привода и размера шага управляющего им мотора).

Жгут из цветных проводков подключен к следующим компонентам:

  • Желтый и коричневый, зеленый и оранжевый - части оптических датчиков, о которых было сказано выше;
  • Красный и черный - светодиод, индикатор активности привода.

Опусканием головок на поверхность диска, а также прижимом конусов привода управляет специально выведенный на лицевую панель рычажок, он фактически приподнимает и опускает всю верхнюю часть механики.

Сняв ее я увидел следующую картину:

Разобранный пятидюймовый дисковод требует основательной внутренней уборки

Рис. 24. Разобранный пятидюймовый дисковод требует основательной внутренней уборки.

Здесь уже фактически видно следы зарождения новой микро-цивилизации, только не хватает паукообразных существ. ))

Для очистки я использовал: сухие и влажные салфетки, спирт, вату, спички и несколько маленьких отверточек для изготовления очистных тампонов. Также для удаления следов коррозии понадобится небольшой кусочек мелкозернистой наждачной бумаги.

Для предотвращения путаницы и чтобы ничего не затерялось, мелкие винтики с шайбочками, клипсы и другие запчасти были разложены в две пластиковые посудинки.

Кстати, одна из посудинок на фото - пластиковая крышечка от мороженого, я ее специально сохранил поскольку увидел что по форме она являет собой устойчивую посудинку и может еще где-то пригодиться.

Детали флоппи-дисковода после очистки

Рис. 25. Детали флоппи-дисковода после очистки.

Собрав все воедино я остался доволен результатом: никакой пыли, последствия коррозии теперь не нанесут никакого вреда, переднюю панель удалось немного очистить от желтезны и выглядит она вполне неплохо.

Старенький пятидюймовый флоппи-дисковод после восстановления и очистки

Рис. 26. Старенький пятидюймовый флоппи-дисковод после восстановления и очистки.

Позже ко мне в руки попал еще один похожий дисковод от той же японской фирмы Mitsumi, но он уже был в гораздо лучшем состоянии - никакой коррозии, лишь немного пыли, все смазано и отлично работает. Его я применю уже в другом своем ретро-проекте.

Дискеты на 3.5'

По сравнению с пятидюймовыми дискетами, трехдймовые стали настоящим прорывом в плане удобства и надежности использования, также они позволяли хранить больше информации:

  • 1.44МБ - HD (High Density), высокая плотность: 80 цилиндров (две дорожки по каждой на одну сторону), 18 секторов на дорожку, 512 Байт на сектор; 
  • 2.88МБ - ED (Extra high Density), увеличенной высокой плотность.

Дискеты на 3.5 и 5.25 дюйма - сравнение размеров и внешнего вида

Рис. 27. Дискеты на 3.5 и 5.25 дюйма - сравнение размеров и внешнего вида.

Дискета на самом деле имеет форму прямоугольника - ее точные размеры: 90мм х 94мм. Почти квадрат.

Гибкий магнитный диск новой дискеты заключен в жесткий пластмассовый корпус. Отверстие для доступа к диску теперь защищает задвижная металлическая (в удешевленных вариантах пластмассовая) заслонка, которая изготовлена из металла который не подвергается намагничиванию.

По сравнению с пятидюймовой дискетой здесь гибкий диск гораздо лучше защищен от воздействия внейшней среды, а также от прикосновения пальцами.

Эксперимент, показывающий что защитная шторка трехдюймовой дискеты не притягивается магнитом

Рис. 28. Эксперимент, показывающий что защитная шторка трехдюймовой дискеты не притягивается магнитом.

Обычная дискета на 3.5 дюйма, вид с двух сторон

Рис. 29. Обычная дискета на 3.5 дюйма, вид с двух сторон.

С одной из сторон дискеты в центре корпуса расположено круглое отверстие с металлической втулкой. Она изготовлена из металла который магнитится и на ней вырезано так называемое "установочное отверстие", которое позволяет валу привода "зацепиться" и управлять вращением диска внутри дискеты с высокой точностью. Таким образом реализована замена "индексному отверстию", которое присутствовало в пятидюймовых дискетах.

С одной из сторон дискеты, в нижней ее части расположено отверстие со шторкой, отвечающее за защиту от записи: отверстие открыто - запись невозможна, а если закрыто - запись разрешена.

Аналогичный функционал как и в 5-дюймовых носителях, только теперь поудобнее.

С противоположной стороны на том же уровне снизу можно видеть еще одно отверстие, оно предназначено для того чтобы дисковод смог идентифицировать тип носителя и его плотность.

Возможные варианты:

  • отверстие отсутствует - диск низкой плотности (720 КБ);
  • одно отверстие (напротив датчика защиты от записи) - диск высокой плотности (1.44 МБ);
  • два отверстия - диск сверхвысокой плотности (2.88 МБ).

Кроме отверстий на корпусе видны также несколько выемок - они нужны для точной и надежной установки положения корпуса дискеты в дисководе.

Разобрав корпус можно увидеть следующие части:

Конструкция трехдюймовой дискеты внутри

Рис. 30. Конструкция трехдюймовой дискеты внутри.

Защитная шторка оснащена пружинкой. На каждой из сторон корпуса внутри приклеена ворсистая ткань, как и у 5-дюймових дискет.

С одной из сторон дискеты, на корпусе внутри под этой тканью расположены небольшие наборы из выступов - они позволяют немного усилить прижимание диска к ткани в этой области и улучшить его очистку от микрочастиц при вращении.

Что расположено под ворсистой тканью у трехдюймовой дискете

Рис. 31. Что расположено под ворсистой тканью у трехдюймовой дискете.

Корпуса дискет выпускаются в разном цвете и с маркировкой на защитной шторке, а также с разными наклейками для нанесения надписей.

Подборка из трехдюймовых дискет разных производителей и в разном оформлении

Рис. 32. Подборка из трехдюймовых дискет разных производителей и в разном оформлении.

Floppy-дисковод на 5.25 дюймов

По своему принципу функционирования дисковод для 3.5' носителей не сильно отличается от того, который был рассмотрен выше.

На примере покажу разборку привода MITSUMI для трехдюймовых накопителей. Он ко мне попал в руки в достаточно загрязненном виде, поэтому его также как и предыдущий привод пришлось разбирать почти полностью по деталькам. 

Дисковод для дискет на три дюйма со снятой верхней крышкой

Рис. 33. Дисковод для дискет на три дюйма со снятой верхней крышкой.

Дисковод для трехдюймовых дискет со снятой нижней крышкой, плата электроники

Рис. 34. Дисковод для трехдюймовых дискет со снятой нижней крышкой, плата электроники.

На плате расположены две интегральные микросхемы, одна из которых NCL039 является основным контроллером, а вторая - драйвером мотора привода диска.

По середине видны выводы трех фаз и общего, идущих от движка привода диска. С правой стороны вверху расположен светодиод индикации активности диска, а также датчик (переключатель) состояния окошка защиты от записи.

С этой же стороны но уже в нижней части расположен еще один датчик - наличия окошек, по которым можно определить тип носителя и его плотность записи.

Шаговый двигатель привода магнитных головок, а также концевой датчик положения блока головок подключены к плате с помощью разноцветных проводников.

Вот так выглядит механика дисковода в разобранном виде, после того как ее детали были очищены:

Детали дисковода на 3.5 дюйма после их очистки

Рис. 35. Детали дисковода на 3.5 дюйма после их очистки.

На барабане привода диска приклеен тонким слоем изготовленный магнит слабой силы притяжения. Он служит для прижимания металлической втулки диска к барабану, а расположенный на нем пластиковый фиксатор после одного оборота попадает в "установочное отверстие" и таким образом вращение магнитного диска будет под полным контролем.

Как я уже говорил выше, устройство магнитной головки достаточно не простое, поэтому рассмотрим его более детально. Там все достаточно интересно.

Блок с магнитными головками от дисковода для дискет на 3.5 дюйма

Рис. 36. Блок с магнитными головками от дисковода для дискет на 3.5 дюйма.

Как видно из фото с правой стороны, магнитные головки расположены не симметрично, а немного взаимно смещены. Таким образом, то что принято называть цилиндрами (когда с двух сторон головки находятся фактически на одной оси) в геометрии диска здесь на самом деле является конусами.

Две части блока с магнитными головками от трехдюймового дисковода для НГМД

Рис. 37. Две части блока с магнитными головками от трехдюймового дисковода для НГМД.

Как видно из фото, корпус нижней магнитной головки закреплен жестко, а корпус верхней расположен на мембране, которая состоит из трех разделенных прорезями частей.

Эта мембрана нужна чтобы сила, с которой две головки обжимают стороны гибкого магнитного диска, не превышала некой установленной нормы.

Откройте следующее фото в новом окне и увеличив его присмотритесь к магнитной полосочке, что вы там видите?

Магнитная головка флоппи-дисковода формата три с половиной дюйма

Рис. 38. Магнитная головка флоппи-дисковода формата три с половиной дюйма.

В центре полоски (по длине) расположено три головки (точки): одна расположена посередине (ширины полоски), а две другие немного смещены назад и расположены по краям.

Именно этими "тремя точками" и выполняется вся работа с магнитной поверхностью гибкого диска, но по некому особому принципу, называемому "туннельной подчисткой".

Суть этого метода в следующем: запись данных на дорожку выполняет средняя магнитная головка, а две головки позади нее подчищают данные в области этой дорожки по ее бокам.

В процессе записи образуется некий туннель с полезной информацией, а очищенные области по бокам служат для четкого отделения границ одной дорожки от других соседних. Таким образом это препятствует искажению считываемого с дорожки сигнала от влияния соседствующих с ней.

Разобрав магнитную головку можно увидеть следующую конструкцию из деталей:

Что находится внутри магнитной головки дисковода для флоппи дисков

Рис. 39. Что находится внутри магнитной головки дисковода для флоппи дисков.

В головке присутствует конструкция из нескольких сердечников, заключенных в корпусе из керамики (если не ошибаюсь). За обслуживание отвечают две миниатюрные катушки индуктивности, намотанные очень тонким медным проводником в изоляции.

Края магнитной головки закруглены и вся поверхность соприкасания с диском очень тщательно отшлифована:

Отшлифованная поверхность магнитной головки привода FDD

Рис. 40. Отшлифованная поверхность магнитной головки привода FDD.

Таким образом, вороятность повреждения поверхности диска "царапанием" какого-то из острых углов головки исключена.

Магнитные сердечники от головки привода флоппи-дисков

Рис. 41. Магнитные сердечники от головки привода флоппи-дисков.

Рекомендации по обращению с дисководами и дискетами

Общие рекомендации по дискеткам:

  • Стараться не сгибать корпус или конверт дискеты;
  • размещение для хранения должно исключить излишнее давление на корпус и его деформацию;
  • Нанесение надписей на этикетки выполнять с минимально возможным усилием;
  • Не касаться магнитного покрытия гибкого диска, поскольку микро-частички кожи и жира с пальцев могут попасть на поверхность и ухудшить контакт головок с поверхностью, привести к разрушению магнитного напыления;
  • Размещать подальше от источников со значительным тепловыделением (например радиатор отопления), оберегать от солнца;
  • Не заливать жидкостью. Кружку с чаем или кофе лучше держать подальше от дискет, как и в прочем от других компьютерных принадлежностей;
  • Не поддавать воздействию сильных магнитных полей (мощные магниты, силовые трансформаторы, мониторы с ЭЛТ и т.п.);
  • Температура в месте для хранения дискет не должна выходить за пределы 5-50° по Цельсию.

Обращение с дисководами для дискет:

  • Не поворачивать рычажок фиксации в дисководе 5.25' если в нем нет установленной дискеты;
  • Стараться не нажимать резко кнопку извлечения дискеты в дисководе 3.5';
  • Если на корпусе или конверте дискеты есть пыль или другая грязь, то перед помещением в дисковод нужно провести аккуратную очистку. Для этого можно использовать кусочек ватки, пропитав ее спиртом или одеколоном;
  • Стараться держать ПК в чистом помещении, чтобы внутрь дисковода попадало как можно меньше пыли. Не курить возле ПК;
  • По необходимости разбирать дисковод и выполнять очистку его внутренностей, а также магнитных головок (аккуратными и легкими круговыми движениями).

Дисковод и дискеты Iomega ZIP 100

Эстафету по совершенствованию устройств с гибкими магнитными дисками заслуженно продолжили накопители ZIP от компании Iomega.

Iomega - основанная в 1980-х годах американская компания-производитель устройств для хранения цифровой информации. Сейчас она называется LenovoEMC.

Приводы и и носители ZIP появились в конце 1994-го года и позволяли хранить на одном картридже (дискете) до 100 МБ данных! Позже выпускались еще модели на 250 МБ и даже на 750 МБ. Скорость передачи данных могла достигать 8 МБит (1 МБайт) в секунду и даже больше.

По своему исполнения были модели как для внутренней установки в корпус ПК (IDE, SCSI), так и для внешнего использования, с подключением к LPT-порту.

Упоминания про эти диски можно еще увидеть в фильмах и даже в некоторых современных играх (например в Deus Ex Mankind Divided 2016 есть миссия где нужно найти устаревший привод для считывания данных с дискеты ZIP) как дань технологиям тех времен.

Мне достался дисковод ZIP внутреннего исполнения от компании NEC.

NEC Corporation - японская компания, занимающаяся информационными технологиями и электроникой, главный офис которой расположен в Токио. Начала свою деятельность под этим именем с 1983-го года.

Дисковод с дискетой Iomega ZIP 100 для интерфейса IDE

Рис. 42. Дисковод с дискетой Iomega ZIP 100 для интерфейса IDE.

Сзади располагается разъем под интерфейс IDE и поэтому дисковод может быть подключен к тому же ATA контроллеру что жесткий диск. Такой привод является по сути ATAPI-устройством (в разделе о жестких дисках было рассказано что это такое).

Доступные режимы работы: LBA, PIO 0 (3.3 MB/s).

Дискета Iomega ZIP 100

Рис. 43. Дискета Iomega ZIP 100.

Конструкция носителя данных ZIP-100 очень похожа на дискету, но есть и некоторые особенности:

  • жесткий пластмассовый корпус;
  • покрытый магнитным слоем гибкий полимерный диск внутри расположен так, что его поверхность не касается сторон футляра;
  • по середине диска прикреплена круглая металлическая втулка, но уже без специального выреза;
  • Сверху присутствует отодвигающаяся защитная шторка из металла (без магнитных свойств), а доступ головок к диску осуществляется их введением в корпус дискеты сверху.

Со стороны с металлической втулкой, сверху на фото можно видеть набор из поблескивающих при освещении выступов - они служат аналогом окошек идентификации в дискетах, для определения размера картриджа (100М, 250М и т.п.). Считывание выполняется оптическим датчиком.

Еще дискетки Iomega ZIP выпускались в наборах с разными цветами, удобно было сортировать разнотипную информацию по нескольким дискетам, например: на черной - бекапы, на зеленой - исходные коды программ, на синей - драйвера и т.д.

Коллекция цветных дискет Iomega ZIP 100

Рис. 44. Коллекция цветных дискет Iomega ZIP 100.

Вернемся к рассмотрению дисковода Iomega ZIP, а точнее посмотрим как все организовано внутри.

На верхней крышке дисковода расположены придерживающие корпус дискеты пружины в виде лепестков, а также фиксатор.

Как выглядит дисковод Iomega ZIP 100 изнутри, со снятой верхней крышкой

Рис. 45. Как выглядит дисковод Iomega ZIP 100 изнутри, со снятой верхней крышкой.

В верхней части фото видны разъемы IDE и питания, между ними размещены штырьки для перемычек конфигурации "Master, Slave, Cable Select".

Немного ниже, слева расположен небольшой соленоид (электромагнит), который при срабатывании приводит к извлечению дискеты из дисковода.

По середине виден контейнер с блоком магнитных головок. За их перемещением отвечает магнитная система с катушкой индуктивности. Конструктивно она похожая на те, которые применяются в системах позиционирования головок в накопителях на жестких дисках, только перемещение здесь осуществляется по одной линии - перпендикулярно к центру диска и от него.

Гибкий соединяющий шлейф магнитных головок находится с правой стороны, также там виден фиксатор из белого пластика, который служит для того чтобы головки прятались в контейнер если дискета будет извлечена из дисковода.

Ближе к передней части диска расположен барабан привода, который также содержит небольшой магнитик, притягивающий к себе металлическую втулку диска при установке дискеты.

Над этим барабаном расположена планка, отвечающая за извлечения дискеты, а также за отодвигание защитной шторки при установке, она приводится в движение небольшой пружиной.

Дискета ZIP 100 установлена в дисковод со снятой верхней крышкой

Рис. 46. Дискета ZIP 100 установлена в дисковод со снятой верхней крышкой.

В нижней части дисковода, под механикой, расположена плата контроллера.

Дисковод ZIP со снятой нижней крышкой, плата управления и передачи данных

Рис. 47. Дисковод ZIP со снятой нижней крышкой, плата управления и передачи данных.

В нижней части платы справа расположены два разъема: для движка привода и для соленоида. В верхней правой части расположен светодиод активности диска и его световод, который выведен на переднюю панель.

Немножко выше, возле светодиода, расположен оптический датчик который отвечает за определение типа дискеты (100МБ, 250МБ и т.д.).

Оптический датчик типа дискеты Iomega ZIP

Рис. 48. Оптический датчик типа дискеты Iomega ZIP.

Блок с магнитными головками представляет собой две гибких металлических пластины, на концах которых находятся миниатюрные катушечки с магнитными сердечниками.

Как выглядят магнитные головки в дисководе гибких дисков ZIP

Рис. 49. Как выглядят магнитные головки в дисководе гибких дисков ZIP.

В зип-дисководе скорость вращения диска составляет 3000 об./мин - это в 10 раз выше чем в обычном дисководе для дискет на 3.5', что уже приближается к скорости вращения жестких дисков.

За счет высокой скорости вращения и возникшей воздушной подушки, как у накопителей на жестких дисках, магнитные головки парят над вращающимся диском на некоторой высоте.

При установке дискеты в дисковод, а также в процессе работы в при извлечении дискеты можно слышать щелчок - он возникает в последствии извлечения и парковки магнитных головок.

Нельзя не упомянуть и о таком явлении которое получило в народе название "щелчки смерти".

COD (Clicks Of Death, щелчки смерти) - заметьте именно периодические щелчки а не один щелчок, специфичные и получившие некоторое распространение симптомы выхода из строя дисковода для дискет Iomega ZIP.

Далеко не всегда периодические щелчки системы позиционирования головок (вывод и возврат) были признаком повреждения привода. Поверхность используемого магнитного диска может быть изношенной (дорожка размагничена или физически стерта) и дисковод будет пытаться найти на ней позиционирующие треки (4 трека).

Не найдя нужный трек контроллер привода выполнит отвод головок в зону парковки, а потом снова их вернет назад (процедура очистки головок от налета, снятие статического заряда) и такое может продолжаться в цикле.

Но это еще не дает 100%-й вероятности что привод поврежден, после установки другой исправной дискеты все может заработать как положено, испорченной по признакам окажется лишь первая дискета.

Под щелчками смерти стоит понимать более серьезную поломку, суть которой состоит в том что при вращающемся на большой скорости диске многократная периодическая парковка и вывод головок может привести к обрыву одной из них, которая в последствии может повредить крайнюю часть гибкого диска дискеты ZIP.

Установив такую испорченную дискету в другой дисковод ZIP, его головки зацепятся за поврежденную область и также могут оторваться от своего крепления.

Так и появились слухи о том что "щелчки смерти" является "заразной" проблемой (как вирус) и установка чужих дискет в свой дисковод может быть опасной.

Как обезопаситься от таких испорченных дискет ZIP? - можно попробовать аккуратно приоткрыть защитную шторку дискеты и при хорошем освещении, покручивая металлическую втулку диска (в помощь небольшой кусочек строительного скотча), осмотреть всю окружность торца диска на предмет каких-то бугорков или обрывов.

Как обращаться с дискетами ZIP? - в принципе действуют все те же правила что и при обращении с обычными дискетами, о которых было сказано выше.

Некоторые рекомендации по использованию дисковода ZIP:

  • Не держать в дисководе без надобности установленную в нем дискету;
  • Избегать больших вибраций и тем более ударов;
  • Если дисковод долго использовался и есть подозрения на загрязнение его внутренних частей, то снятие верхней крышки и очистка от пыли и мусора будут не лишними.

В моем дисководе до его очистки было очень много пыли, после профилактики я проверил на нем работоспособность 10-ти дискет - все считываются и записываются без каких либо проблем.

Будет отличное дополнение к системе на 486-м микропроцессоре!

В завершение

Третья часть получилась не маленькой. А ведь раньше я и вовсе планировал сделать эту серию из статей в виде одной публикации... )

Скорее всего уже мало кто из нового подрастающего поколения сможет увидеть, а тем более попробовать в деле гибкие диски и дисководы на 3.5', 5.25' и даже ZIP.

Эти накопители уже давно оставлены позади сначала лазерными и магнето-оптическими дисками, а теперь накопителями на основе Flash-технологии.

Эта статья со временем возможно будет иметь некоторую историческую ценность, станет небольшой машиной времени в мир забавных устройств, которые дали толчек к развитию технологий по хранению и обработке компьютерной информации.

В следующей части серии будут рассмотрены видеоадаптеры и звуковые карты. Коснемся истории этих устройств, будут технические детали их работы. Покажу пример сохранившейся видеокарты для VLB, а также старенького Sound Blaster от известной в мире звуковых технологий компании Creative Technology.

Продолжение - Ретро ПК на 80486 - видеокарта для VLB, история звуковых адаптеров, Creative Sound Blaster.

1 827 Железо