URZĄDZENIA TECHNIKI KOMPUTEROWEJ
Budowa i zasada działania FDD
I. Zasada zapisu informacji na nośnikach magnetycznych
Zasada zapisu informacji na nośnikach magnetycznych stosowanych w dyskietkach i dyskach
twardych jest zbliżona do zapisu stosowanego w magnetofonach.
Wykorzystywane jest tu zjawisko powstawania pola magnetycznego wokół przewodnika,
przez który płynie prąd oraz właściwości pewnych materiałów zwanych materiałami
magnetycznie twardymi. Materiały te pod wpływem pola magnetycznego ulegają trwałemu
namagnesowaniu, i „zapamiętują” pole magnetyczne. Układ nanoszący pole magnetyczne
na nośnik magnetyczny (czyli głowica zapisująca) jest schematycznie przedstawiony na
rysunku 1.
Rysunek 1. Zasada zapisu na nośniku magnetycznym
Magnetowód wykonany z materiału magnetycznie miękkiego prowadzi w swoim
wnętrzu linie sił pola magnetycznego wytworzone przez przewodnik, przez który płynie
prąd. Szczelina w magnetowodzie powoduje powstanie „bąbelka” linii sił pola
magnetycznego, które wnika w znajdujący się pod spodem nośnik magnetyczny (materiał
magnetycznie twardy), powodując jego stałe namagnesowanie (zaznaczone w przykładzie
jako NS). Zmiana kierunku prądu (zwanego prądem magnesującym) w przewodniku
powoduje magnesowanie nośnika w kierunku przeciwnym - SN.
Zjawisko wykorzystywane przy odczycie to powstawanie siły elektromotorycznej w
przewodniku znajdującym się w zmiennym polu magnetycznym. Działanie układu
odczytującego, czyli głowicy odczytującej zilustrowane jest na rysunku 2.
Rysunek 2. Zasada odczytu informacji z nośnika magnetycznego
Nośnik przesuwający się pod głowicą został namagnesowany prądem zmieniającym
kierunek tak, jak to opisaliśmy w poprzednim przykładzie. W momencie zmiany kierunku
prądu także pole magnetyczne zmieniało kierunek, pomiędzy zmianami pozostając bez
zmian. Jeżeli pod głowicą przesuwa się fragment nośnika, na którym nastąpiła zmiana pola,
przewodnik nawinięty na magnetowodzie znajduje się w zmiennym polu magnetycznym,
co powoduje wyindukowanie w nim impulsu prądu. Impulsy te wytwarzane są przy każdej
zmianie pola, przy czym kierunek impulsów zależy od kierunku zmian pola.
W głowicach zapisujących dla dysków twardych i dyskietek kształt przebiegu prądu
jest właśnie taki, jak opisano w przykładzie. Stąd w głowicy odczytującej indukują się
impulsy prądu (w momentach zmian pola) o zmiennej polaryzacji (dodatnie i ujemne). Za
pomocą prostych układów elektronicznych można te impulsy wyprostowad, czyli zamienid
je na impulsy o jednakowej polaryzacji (na przykład dodatnie).
II. Dyski elastyczne i ich interfejs
Dyski elastyczne zwane są także dyskietkami i takiego właśnie określenia będę
najczęściej używad. Napędem dysków elastycznych lub stacją dysków (dyskietek),
oznaczoną w skrócie jako FDD (ang. Floppy Disk Drive), nazywa się urządzenie
zawierające częśd mechaniczną oraz układy elektroniczne niezbędne do sterowania pracą
mechanizmów i realizacji operacji odczytu i zapisu. Stacja dyskietek współpracuje z
układem wejścia/wyjścia (będącym jej interfejsem) zwanym sterownikiem napędu dysków
elastycznych, oznaczanym skrótem FDC (ang. Floppy Disc Controller). Kolejne
podrozdziały przedstawiają budowę I działanie FDD I FDC.
Budowa mechaniczna napędu dysku elastycznego
Podstawowe części mechaniczno-elektryczne tworzące napęd dysku elastycznego
przedstawione są na rysunku 3. Napęd zawiera dwa silniki. Pierwszy z nich napędza krążek
pokryty ferromagnetykiem, będący nośnikiem informacji. Szybkośd obrotowa tego silnika
dla dyskietek 3,5” wynosi 360 obr/min (300 dla dyskietek 360 KB 5,25”). Drugi z silników,
zwany silnikiem krokowym, zapewnia liniowy ruch głowicy zapisująco-odczytującej,
przesuwającej się drobnymi skokami wzdłuż promienia krążka magnetycznego (od tych
drobnych skoków pochodzi jego nazwa). Zadaniem tego silnika jest precyzyjne ustawienie
głowicy nad określonym obszarem krążka. Informacja jest zapisywana (a więc i
odczytywana) na dyskietce w postaci koncentrycznych okręgów zwanych ścieżkami (ang.
track), gdyż w trakcie zapisu jednej ścieżki głowica pozostaje nieruchoma. Po zapełnieniu
całej ścieżki, głowicę należy przesunąd o pewien odcinek i zacząd zapisywad na następnej
ścieżce. Najbardziej zewnętrzną ścieżkę nazywamy ścieżką zerową (ang. track zero).
Ponieważ pełni ona pewne wyróżnione role, istnieje w napędzie czujnik sygnalizujący
ustawienie głowicy nad ścieżką zerową. Między innymi właśnie z tego miejsca rozpoczyna
pracę głowica po uruchomieniu napędu.
Innym czujnikiem występującym w mechanizmie napędu dyskietki jest czujnik
blokady zapisu. Blokada ta jest blokadą sprzętową i (na szczęście) nie da jej się w żaden
sposób programowo ominąd. Stąd nad tak zabezpieczoną dyskietkę nie mogą się przedostad
wirusy komputerowe (co innego z wirusami grypy).
Ostatnim czujnikiem, nie pokazanym na rysunku 3, jest czujnik pierwszego sektora
ścieżki. Sygnalizuje on, aczkolwiek w sposób niezbyt precyzyjny, zbliżanie się do głowicy
pierwszego sektora ścieżki.
Rysunek 3. Budowa mechaniczna napędu dysku elastycznego
Interfejs dysków elastycznych
Interfejs dysków elastycznych składa się z kontrolera napędu dyskowego FDC oraz
okablowania w postaci tak zwanego pasma łączącego FCD z FDD. Interfejs ten został
opracowany przez firmę Shugart Associates i następnie zakupiony na własnośd przez firmę
IBM. Nosi on oznaczenie S.A.-450. Schemat blokowy FDC wraz z dołączonymi napędami
dyskowymi pokazany jest na rysunku 4.
Silnik krokowy przesuwający
ramiona z głowicami zapisująco
odczytującymi
Rysunek 4. Schemat blokowy FDC standardu S.A.-450
Zadaniem tego interfejsu jest przesyłanie pomiędzy FDC i FDD danych
zapisywanych i odczytywanych (szeregowo) oraz dostarczenie wszystkich sygnałów
sterujących niezbędnych do działania FDD (pełny zestaw sygnałów pomiędzy FDC i FDD
przedstawiony jest na rysunku 5). Sygnały te wytwarzane są przy współpracy
mikroprocesora zawartego w FDC współpracujące ze specjalizowanym układem scalonym
oznaczonym na schemacie jako sterownik. Układy logiczne CRC dostarczają dodatkowych
danych służących do kontroli poprawności odczytywanej informacji (w stosunku do
zapisu). Separator danych rozdziela danych rozdziela odczytane impulsy na impulsy danych
i impulsy synchronizujące. Interfejs magistrali zapewnia równoległą komunikację z
systemem.
Interfejs S.A.-450 umożliwia podłączenie 4 napędów dyskowych, jednak IBM
wykorzystał tylko jedno złącze do podłączenia do dwóch napędów, za pomocą
pojedynczego pasma (taśmy). W celu rozróżnienia pomiędzy obydwoma napędami w
paśmie występuje tak zwany przelot. Polega on na zamianie miejscami niektórych
sygnałów dla złączy umieszczonych na paśmie, obsługujących każdy z napędów.
Pasmo łączące napęd z kontrolerem ma zaznaczoną (najczęściej kolorem
czerwonym) pierwszą żyłę (żyłę numer 1). Złącze powinno byd podłączone zarówno do
kontrolera, jak i do napędu, tak aby pierwsza żyła została dołączona do pierwszego pinu
złącza. Na kontrolerze (umieszczonym najczęściej na płycie głównej) należy odczytad,
który pin ma numer 1. W napędzie pierwszym pin jest umieszczony zwykle od strony
złącza zasilającego. Na szczęście nieprawidłowe dołączenie pasma nie powoduje
uszkodzenia napędu ani kontrolera i jest łatwo rozpoznawalne - pali się na stałe dioda
kontrolna na napędzie.
III. Fizyczna struktura zapisu na dyskietce
Jak już wspomniałem, informacja na dyskietce zapisywana jest na ścieżkach
będących koncentrycznymi okręgami. Ścieżki dzielone są na mniejsze fragmenty zwane
sektorami. Sektor jest najmniejszą porcją informacji, jaką potrafi przeczytad z dysku
kontroler. Przykładowo w komputerach PC sektor ma rozmiar 512 B, jednak odczyt
pojedynczych bajtów nie jest możliwy. Stąd mówimy, że urządzenia typu napędów
dyskowych są ukierunkowane na transmisję blokową. Jeżeli przypomnimy sobie
wiadomości z pierwszej części niniejszej serii, stwierdzimy, że do obsługi tego typu
transmisji predestynowana jest operacja wejścia/wyjścia zwana DMA.
Podział dyskietki na sektory przedstawiony jest na rysunku 5. Zilustrowane jest na
nim także pojęcie numeru strony (ang. side) lub głowicy (ang. head). Związane jest to z
faktem, że wykorzystujemy obydwie strony krążka magnetycznego.
Rysunek 5. Podział dyskietki na ścieżki i sektory
Z takim podziałem i sposobem zapisu i odczytu wiąże się pojęcie adresu fizycznego
na dysku twardym lub dyskietce. Aby zlokalizowad szukany sektor (odczytujemy bądź
zapisujemy całe sektory), musimy podad numer strony lub głowicy, numer ścieżki i numer
sektora. Dla dysków twardych zamiast numeru ścieżki wprowadzono numer tak zwanego
cylindra. Koncepcję cylindra ilustruje rysunek 6.
Rysunek 6. Ilustracja koncepcji cylindra
Cylindrem jest zbiór wszystkich ścieżek na wszystkich talerzach dysku mających
ten sam promieo (czyli wyznaczonych przez przecięcie z cylindrem o tym promieniu - stąd
nazwa). Adres fizyczny na dysku można określid jako adres CHS (ang. Cylinder Head
Sector). Podając numer cylindra, wybieramy wszystkie ścieżki o tych samych numerach,
lecz na różnych powierzchniach. Numer głowicy identyfikuje konkretną ścieżkę, z której
wybieramy sektor o podanym numerze.
Na dyskietce prócz danych zapisywana jest informacja niezbędna do poprawnego
funkcjonowania napędu i jego kontrolera. Informacja ta obejmuje impulsy synchronizujące
oraz informację o tym, który fragment dyskietki jest odczytywany, jaki jest jego rozmiar
itp. Dodawana jest też informacja pozwalająca na kontrolę poprawności odczytu w
stosunku do zapisu w postaci dodatkowych bajtów zwanych bajtami CRC (ang. Cyclic
Redundancy Check).