История накопителей на магнитных дисках

Министерство  образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО  Тульский государственный университет

Механико-технологический  факультет

Кафедра "Автоматизированные станочные системы" 
 
 
 

Курсовая  работа 

по дисциплине: "История техники"

на тему: "История накопителей на магнитных  дисках" 
 
 
 
 

                                                        

                                                              Выполнил   студент гр. 662171с

                                                                                            Полунин Е.И.

                                                              Проверили           Трушин Н.Н. 
 
 

Тула 2012 

    Содержание:

История развития…………………………………………………….3

Как измерять емкость дисков………………………………………8

Общая технология магнитных  носителей……………………….11

Основные  характеристики накопителей  на магнитных дисках…………………………………………………………………13

Технология  производства накопителей на  магнитных дисках…………………………………………………………………15

Важные даты из истории магнитных дисков……………………22

Список  используемой литературы………………………………..23

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  История развития накопители на гибких магнитных дисках

 

  В конце 60-х годов американская фирма IBM предложила новое запоминающее устройство, которое использовало гибкий диск (флоппидиск). Гибкий диск работает так же, как  и жесткий, но выполнен в виде упругой  круглой пластинки с пластиковой  основой, покрытой магнитным составом. Диск помещен в специальный гибкий конверт-кассету, предохраняющий его  от механических повреждений и пыли.

  Диск  с конвертом устанавливается  пользователем в специальное  устройство (дисковод). В этом устройстве он вращается внутри конверта со скоростью  около 300 об/мин.

  Для уменьшения трения внутренняя часть  конверта покрывается особым материалом. Через специально сделанные прорези  магнитная головка считывания-записи дисковода контактирует с поверхностью диска и производит считывание или  запись соответствующей информации. Накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД) - сложное механическое устройство, оно требует подключения к  компьютеру специального электронного блока-контроллера, который преобразует  команды, поступающие от машины к  накопителю, и следит за их выполнением, а также управляет процессом  обмена данными.

  Фирма IBM предложила использовать гибкие диски  диаметром 203 мм (8 англ. дюймов) и разработала  соответствующий стандарт на эти  дисковые накопители.

  Новое устройство внешней памяти начало приобретать  большую популярность. В 1976 г. было продано  около 200 тыс. устройств, в 1981 г. уже 3-4 млн, на общую сумму 2,3 млрд. долл., а в 1984 г. было поставлено 8,2 млн. НГМД на сумму 4,2 млрд. долл. Только в США в 1984 г. для НГМД было изготовлено 285 млн. гибких дисков.

  Вместе  с бурным развитием вычислительной техники усовершенствовались и НГМД. В начале 70-х годов американский изобретатель Ален Шугарт предложил уменьшить диаметр дисков до 133 мм (5,25 дюйма). В 1976 г. образованная им фирма "Шугарт Ассошиэйтс" выпустила первые накопители с гибкими дисками такого размера, получившие название минидисков (минифлоппи). Несмотря на первоначально меньший объем внешней памяти, эти накопители были вдвое дешевле стандартных с 203-мм дисками. Последнее обстоятельство сразу привлекло к ним внимание широкой группы пользователей ПК.

  Улучшение качества записи и качества магнитных  головок позволило перейти к  гибким дискам с двойной плотностью записи.

  Первые 203-мм и 133-мм гибкие диски использовали в работе только одну сторону диска. С целью увеличения объема внешнего накопителя были разработаны и начали поставляться устройства, в которых  информация записывалась и считывалась  с обеих сторон диска. Это увеличило  объем памяти в 2 раза, а с учетом двойной плотности записи - в 4 раза.

  Разработкой и производством НГМД занималось несколько десятков фирм в США, Японии, ФРГ и других странах. Эти устройства быстро вытеснили накопители на магнитной ленте во многих случаях применения ПК. Использование НГМД на порядок увеличивало быстродействие системы.

  В настоящее время внешняя память на гибких магнитных дисках стала  неотъемлемой частью типовой конфигурации большинства учебных и всех профессиональных ПК.

  В каких направлениях шло дальнейшее техническое развитие НГМД?

  Во-первых, продолжалось уменьшение физических размеров накопителей, в частности, по высоте. Многие фирмы выпускали накопители половинной высоты, т. е. в прежнем  корпусе можно было разместить уже  два устройства.

  Во-вторых, были реализованы успешные попытки  уменьшить диаметр дисков, а следовательно, и габариты накопителя.Так, японская фирма "Сони" разработалаНГМД с дисками диаметром 89 мм (3,5 дюйма). Диск помещен в жесткий конверт размером 90x94 мм (3,54x3,7 дюйма) и толщиной 1,3 мм., оборудованный специальной металлической "шторкой". Когда диск вставляется в дисковод, "шторка" автоматически сдвигается и открывает прорезь в конверте, через которую магнитная головка взаимодействует с гибким диском. При двойной плотности записи подобный диск с односторонней записью вмещает 360 Кбайт, а при двусторонней записи - 720 Кбайт.

  Стандартный накопитель фирмы "Сони" стоил  примерно 10% дороже, чем накопитель на 133-мм дисках, а сами 89-мм диски  были дороже аналогичных 133-мм дисков в 2-2,5 раза. Однако малый размер дисков и самого накопителя жесткая конструкция  конверта с диском и защита поверхности  диска с помощью "шторки" привлекли  к этому типу НГМД значительное количество пользователей.

  средств и технологий ряд фирм разрабатывали НГМД сповышенным объемом памяти.

  Так, фирма IBM в PC AT применила накопители на 133-мм дисках объемом 1,2 Мбайт форматированной  памяти. За счет перехода к большей  плотности расположения дорожек  на диске удалось более чем  вдвое повысить объем внешнего накопителя ПК.

  Японская  фирма "Хитачи-Максвелл" объявила о разработке 133-мм гибких магнитных  дисков с объемом памяти 19 Мбайт  на диск. За короткий срок объем 89-мм дисков возрос с 360 Кбайт до 1,44 Мбайт.

  К началу 1987 г. наиболее распространенными  в мире были 133-мм диски для ПК фирмы IBM и практически пересталивыпускаться накопители на дисках диаметром 203 мм. Накопители с 89-мм дисками объемом 720 Кбайт нашли применение во многих портативных ПК, например в моделях японской фирмы "Тошиба" - T1100, Т1200, Т3100, американских фирм"Зенит Дейта Системс" - Z181, "Бондвелл Инк. " - Bondwell 8 и др. Фирма IBM в моделях ПК серии PS/2 использует НГМД c дисками диаметром 89 мм, объемом 720 Кбайт и 1,44 Мбайт.

  В-третьих, за счет использования новых технических  Очень быстро растет рынок 89-мм НГМД.

отождествлять 103 и 210.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Как измерять емкость дисков

 

     Быстрый рост емкости дисков обнажил на первый взгляд неожиданную проблему, а именно — недостаточную определенность единиц измерения этой емкости. Несколько лет назад в Соединенных Штатах состоялись судебные процессы в связи с обвинением производителей компьютеров в том, что заявленные ими емкости дисков не соответствуют тому, что показывает операционная система.       Скажем, в спецификации компьютера указано, что в нем установлен диск 120 Гбайт, а система показывает только 115. Многие из нас пытались понять, почему на 30-гигабайтном диске можно записать только 28 Гбайт данных, для чего соотносили значения степени двойки со степенью десятки. А виной всему — несогласованность терминов, использование вперемежку десятичных (кило-, мега-) префиксов и двоичных значений, коварная близость пресловутых значений 1024 и 1000, побуждающая приравнять их, чтобы при дальнейших расчетах отождествлять 103 и 210.

К чему это приводит, станет ясно, если в качестве примера рассмотреть такую единицу измерения, как мегабайт. Оказывается, ее можно трактовать тремя различными способами.

1. Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission, IEC), придерживающаяся системы СИ, считает, что 1 Мбайт равен 1 млн. байт (106). В такой трактовке эту единицу измерения используют некоторые производители жестких дисков и DVD.
2. Память компьютеров тоже измеряется мегабайтами, но по определению, является «чисто двоичной», поэтому в этом случае 1 Мбайт равен 1048576 байт (220).
3. Производители гибких дисков породили промежуточный подход. Они сохранили двоичный килобайт, поэтому у них 1 Мбайт равен 1 тыс. Кбайт, то есть 1024000 байт (1024 x 1000). Отсюда следует, что дискета емкостью 1,44 Мбайт на деле может хранить 1474560 байт.

По очевидным арифметическим причинам расхождение между двоичными значениями и десятичными будет тем больше, чем больше абсолютная величина. Между десятичной тысячей байт и килобайтом (1024 байт) — разница всего 2,4%; однако между йоттабайтом (280) и обычно ставящимся ему в соответствие числом 1024 различие составляет уже 20,8%. На гигабайтном уровне различие меньше, но и его оказалось достаточно для того, чтобы организации, защищающие права потребителей, возбудили судебные процессы против производителей дисков. Имели место попытки доказать, что они вводят в заблуждение покупателей, завышая истинные объемы дисков, но это совсем не так. Использование десятичных единиц измерения в накопителях является инженерной традицией, которая началась еще со времен перфолент, а двоичная интерпретация дискового пространства связана с особенностями операционной системы.

 

 

Для преодоления противоречия в 1999 году IEC разработала новый стандарт IEC 60027-2, в котором предлагается заменить десятичные префиксы двоичными, отличающимися двумя буквами bi (от binary), и полностью отказаться от использования основания 10 в пользу основания 2. За прошедшие с тех пор годы наблюдался определенный рост популярности новой системы измерений, и в 2005 году ее приняли американский институт IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) и Международный комитет мер и весов (Comite International des Poids et Mesures, CIPM).

Аналогичные изменения предложены и для единиц измерения, определяющих скорость передачи данных. Как сейчас принято, единица измерения частоты герц взята из системы СИ, следовательно, передаваемые данные считаются в десятичной системе и скорость передачи, скажем, 128 Кбит/с означает передачу 128 тыс. десятичных битов в секунду, что равно 15,625 Ki в секунду, а, например, скорость передачи 1 Мбит/с 122 Ki в секунду.

 
 
 
 

Общая технология магнитных  носителей

 

  Долгое  время основным устройством хранения данных в компьютерах были перфорационные носители (карты и ленты). В 1949 года компания IBM приступила к разработке нового устройства хранения данных. Именно это и стало точкой отсчета  в истории развития устройств  магнитного хранения данных. 21 мая 1952 года IBM анонсировала модуль ленточного накопителя IBM 726 для вычислительной машины IBM 701. Четыре года спустя, 13 сентября 1956 года, IBM объявила о создании первой дисковой системы хранения данных - 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Эта система  могла хранить 5 млн символов (5 Мбайт) на 50 дисках диаметром 24 дюйма (около 61 см).

 

  Основной  критерий оценки накопителей на магнитных  носителях - поверхностная плотность записи. Она определяется как произведение линейной плотности записи вдоль дорожки, выражаемой в битах на дюйм (Bits Per Inch - BPI), и количества дорожек на дюйм (Tracks Per Inch - TPI). В результате поверхностная плотность записи выражается в Мбит/дюйм² или Гбит/дюйм².

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Основные  характеристики накопителей  на магнитных дисках

 

     Накопители  на гибких магнитных дисках (НГМД) позволяют  переносить документы и программы  с одного компьютера на другой, хранить  информацию, не используемую постоянно  на компьютере, делать архивные копии  программных продуктов, содержащихся на жестком диске.

     Наибольшее  распространение получили дискеты  размером 5,25 и 3,5 дюйма, то есть 133 и 89 мм в диаметре.

     НГМД  размером 5,25 дюйма чаще всего имеют  емкость размером 1,2 Мбайта и 360 Кбайт. Встречаются дискеты прежних  лет выпуска, имеющие меньшую  емкость либо рассчитанные на использование  в дисководах с одной головкой (односторонние дискеты) . Для записи и чтения дискет емкостью 1,2 Мбайта предназначены специальные накопители, которые устанавливаются на компьютерах  моделей IBM PC AT, и PS/2. Существуют также  специальные дисководы на 360 Кбайт. Техника записи на данных дискетах различна В дисководах емкостью 1,2 Мбайта используются головки для чтения / записи, обеспечивающие более узкую  дорожку информации. С этой целью  на 5,25 дюймовых дискетах применяется  специальное магнитное покрытие, которое позволяет осуществлять более плотную запись. Это магнитное  покрытие труднее намагнитить и  размагнитить, чем обычное, поэтому  такие накопители не могут быть использованы в дисководах емкостью 360 Кбайт.

     В компьютерах последних лет выпуска  чаще стали использовать накопители для дискет размером 3,5 дюйма (89 мм) и  емкостью 0,7 и 1,44 Мбайт. Переход на их использование был в первую очередь  связан с бурным развитием портативных  компьютеров, в которых нельзя было использовать прежние накопители из-за больших размеров последних.

     НГМД  размером 3,5 дюйма заключены, в отличие  от 5,25 дюймовых, заключены в жесткие  пластмассовый конверт, что значительно  повышает их надежность и долговечность, а также создает значительные удобства при транспортировке, хранении и использовании. В связи с  этим первые из вышеперечисленных дисков вытесняют последние с компьютерного  рынка, хотя они и стоят несколько  дороже.

     Составляющими магнитного диска размером 3,5 дюйма  и емкостью 1,44 Мбайта (далее рассматривается  только он) являются:

1. крышка защитная металлическая;
2. пружина для крышки металлическая;
3. конверт пластмассовый (верхняя и нижнияя стороны) ;
4. две прокладки из мягкой бумаги;
5. задвижка защиты от записи пластмассовая;
6. стабилизатор положения диска металлический;
7. сердцевина диска металлическая;
8. круглая запоминающая поверхность диска пластмассовая, покрытая магнитным слоем.

 
 

Технология  производства накопителей на магнитных дисках

 

     Запись  и считывание информации осуществляются с помощью магнитных головок  плавающего типа. Они крепятся на рычагах, которые перемещаются по радиусу  дисков с помощью специального следящего  привода.

     В качестве материала для изготовления магнитных дисков обычно применяют  алюминиевый сплав Д16МП (МП —  магнитная память) . Этот сплав немагнитный, мягкий, достаточно прочный, хорошо обрабатывается. Для уменьшения количества металлургических дефектов на поверхности диска сплав  подвергают специальной очистке, например, электрофлюсовому рафинированию с  продувкой инертным газом.

     Торцевые  поверхности магнитных дисков покрывают  магнитным слоем. Гальваническое магнитное  покрытие имеет толщину до 1 мкм, а ферролаковое — до 5 мкм. Только торцевые поверхности крайних дисков не используются для хранения информации. На рабочей поверхности диска  размещаются 80 дорожек, 20 секторов.

     Записи  и считывания информации осуществляются с помощью магнитных головок  плавающего типа. Они крепятся на рычагах, которые перемещаются по радиусу  диска с помощью специального следящего привода.

     Плотность записи определяется величиной зазора между диском и магнитной головкой, а от стабильности зазора зависит  качество записи (считывания) . Для повышения  плотности записи необходимо уменьшить зазор, однако при этом значительно повышаются требования к рабочей поверхности дисков. При малом зазоре и больших погрешностях в макрогеометрии поверхности имеют место значительные колебания амплитуды сигнала воспроизведения. Для надежной работы накопителя на гибких магнитных дисках необходимо обеспечить шероховатость поверхности не более Ra=0,22 мкм и минимальные макрогеометрические отклонения. Торцевое биение диска при вращении с чистотой 30 об/с не должно превышать 0,3 мм, а удельная неплоскостность 0,7 мкм на длине 10 мм.

     Выполнение  этих требований представляет значительные трудности.

     Основными этапами технологического процесса изготовления магнитного диска являются получение заготовки, подготовка поверхности, терморихтование, токарная обработка, нанесения магнитного покрытия, уравновешивание, контроль.

     Заготовку дисков получают из листового материала. Резку листов на карточки размером 100х100 мм осуществляют на ножницах с  наклонными ножами и прижимом материала. Из карточек вырубкой на штампе или  на токарном станке получают диски.

     При вырубке зона металла, прилегающая  к поверхности среза, упрочняется. Толщина деформированного слоя составляет примерно 0,3 толщины материала. Припуск  на последующую токарную обработку  должен превышать толщину деформированного слоя.

     Размеры заготовки для магнитного диска  имеют следующие значения: наружный диаметр составляет 85,5 мм, а внутренний — 24 мм.

     Подготовка  поверхности заключается в обезжиривании, промывке в горячей проточной  воде (при t=60° С в течение 1 — 2 мин.) и сушке. Она осуществляется на специальных установках.

     Диск, находящийся в камере станка получает вращение и подвергается действию обезжиривающего  раствора, а также протирается  вращающимися щетками. Раствор подается из бачка насосом и распыляется  форсунками. Чистая вода для промывки поступает из крана. Обезжиривающий раствор из камеры попадает через  клапан обратно в бачок для  вторичного использования или сливается. Диски сушат горячим воздухом, циркуляция которого в камере осуществляется вентилятором.

     Терморихтование заготовок необходимо для снятия внутренних напряжений и обеспечения  требований по неплоскостности и  осевому биению. Эту операцию наиболее целесообразно выполнять в электрических  печах сопротивления, которые обеспечивают минимальные перепады температур по всему рабочему объему. Оптимальная  температура рихтования для сплава Д16МП составляет 125-- 215 С, а выдержка при этой температуре 3 ч. Скорость подъема  температуры составляет 40° С в  час, а скорость охлаждения не более  — 20° С в час.

     В приспособлении для закрепления  дисков при терморихтовании заготовки  дисков помещают между алюминиевыми плитами. В каждом слое находится  по 10 заготовок. Положение заготовки на плите определяется тремя штифтами, которые фиксируют заготовку по внутреннему диаметру. Они служат также для фиксации вложения следующей плиты. Основание и грузовая плита выполнены из чугуна. Грузовая плита обеспечивает требуемое давление, которое для верхней заготовки составляет 0,02-- 0,04 Мпа. Стойка имеет ушко, с помощью которого приспособление загружают в электрическую шахтную печь. Температура рабочего пространства и приспособления контролируется термопарами, установленными снаружи и внутри приспособления.

     Контроль  торцевых поверхностей дисков после  терморихтования осуществляют с  двух сторон бесконтактным (емкостным) методом. Заготовки дисков устанавливают  на плоскость ступицы и закрепляют через кольцо прижимом с помощью  гайки.

     Осевое  биение измеряют при равномерном  вращении с частотой 0,2 об/c при фиксированном  положении датчика на одной из концентрических окружностей. Непараллельность перемещения датчика по плоскости  не должна превышать 0,001.

     Токарную  обработку дисков проводят на станках  повышенной точности в вакуумном  патроне.

     Основными частями патрона являются планшайба  и корпус со сменным кольцом. Через  отверстия его полость соединена  с канавками, находящимися на торцевой поверхности планшайбы. Разность атмосферного давления воздуха и давления внутри планшайбы прижимает заготовку  диска к выступам, удерживая диск на планшайбе за счет сил трения. Для съема диска полость планшайбы соединяют с окружающей атмосферой. Величина разряжения составляет 0,05 — 0,07 Па. Обточка наружного и внутреннего диаметров, а также фасок осуществляется при частоте вращения шпинделя от 700 до 900 об/ мин и подаче до 0,1 мм/об.

     Подготовка  поверхности диска перед нанесением покрытия заключается в очистке  ее моющим раствором при температуре 55 — 65° С. В качестве подслоя применяют  медь, которую наносят гальваническим способом.

     Магнитное покрытие, нанесенное по медному подслою, обеспечивает малый ток записи, высокую  амплитуду считываемого сигнала  и практически бездефектное покрытие. Толщина медного подслоя составляет примерно 5 мкм. Чистота поверхности  после нанесения медного подслоя  ухудшается, и для ее восстановлении применяется полирование, при котором  толщина подслоя уменьшается  на 0,5 мкм.

     Подслой и магнитное покрытие наносят  электролитическим способом в приспособлении, которое обеспечивает подвод тока и  вращение диска в гальванической ванне. Вращение диска обеспечивает равномерность осаждения покрытия.

     Приспособление  состоит из текстолитовой плиты, на которой установлены двигатель  и понижающие редукторы. На валу редуктора  насажена оправка с диском. Ток  к диску подается от провода и  втулки к оправе. Диск погружают  в ванну на половину диаметра. Для  получения равномерного магнитного поля устанавливают латунный экран. Погружение диска в ванну, подъем и перенос его из одной ванны в другую осуществляется с помощью тяг.

     Статическое уравновешивание дисков производится после покрытия медью. Диск, плотно надетый на оправку устанавливают  на раму-весы, которая призмами опирается  на стойку. Весы уравновешиваются с  помощью грузов. Раму стопорят на стойке штифом, который после установки  диска вынимают. При наличии неуравновешенности рама отклоняется от горизонтального  положения, что фиксируется стрелкой на шкале. При этом все вышеперечисленные  операции выполняются автоматически.

     Окончательное полирование осуществляется на станке с вертикальным шпинделем. Обрабатываемый диск закрепляют в вакуумной планшайбе. При этом он прижимается к точной поверхности планшайбы. В качестве инструмента применяют полировальник, шарнирное крепление которого обеспечивает его самоустановку относительно поверхности диска.

     Для предохранения магнитного носителя от механических и климатических  воздействий на торцевые поверхности  дисков могут наносить защитное покрытие. Раньше эту роль выполнял хром, сейчас используется тифлон. Последний позволяет  сделать диск абсолютно не чувствительным ко всякого рода загрязнениям: жир, вода, пыль.

     Произвольно выбранные диски подвергают испытаниям на сохраняемость записанной информации при длительной работе в режиме считывания. Контрольные измерения параметров воспроизводимых сигналов осуществляют с помощью осциллографа.

     Климатические испытания проводят при повышенной (+50° С) и пониженной (— 50° С) температурах, а механические при вибрационных и ударных нагрузках.

     После каждого испытания диски подвергают визуальному осмотру с проверкой  параметров считываемой информации.

     Взаимозаменяемость  выбранных НГМД проверяют на нескольких накопителях, на которые последовательно  устанавливают один и тот же диск. При этом информация, записанная на дискетах, должна без сбоев воспроизводится  на всех накопителях.

     Иногда  после проведения всех вышеперечисленных  операций по сборке и проверке дисков некоторые фирмы в качестве дополнительной услуги также форматируют накопители на гибких магнитных дисках, то есть разбивают их на дорожки и сектора, чтобы освободить от этой процедуры  пользователя, однако последнее не обязательно, так как требования к форматированию у различных  пользователей часто разнятся, поэтому  солидные компании предпочитают предоставлять  выбор способа форматирования покупателю, а не проводят его заранее.

 
 
 
 
 

Важные даты из истории магнитных дисков

• 1956 год — первый дисковый накопитель RAMAC 350 (5 Мбайт, 24 диска)
• 1961 год — накопитель с делением на секторы Bryant Computer 4240 (90 Мбайт, 24 диска диаметром 39 дюймов, т.е. 99 см)
• 1963 год — накопитель со сменными 14-дюймовыми пакетами IBM 1311 (2,69 Мбайт, 6 дисков)
• 1971 год — накопитель со следящим сервомеханизмом IBM 3330-1 Merlin (100 Мбайт, 11 дисков)
• 1971 год — гибкий диск IBM 23FD (0,816 Мбайт, 1 диск диаметром 8 дюймов)
• 1973 год — накопитель типа «Винчестер» IBM 3340
• 1976 год — гибкий диск диаметром 5, 25 дюйма Shugart Associates SA400
• 1980 год — жесткий диск диаметром 5,25 дюйма Seagate Technology ST506 (5 Мбайт)
• 1985 год — диск на карте Quantum Hardcard (10,5 Мбайт, 3,5 дюйма)