Файл: Развитие периферийных устройств.pdf

Изобретение первых компьютеров привело к возникновению необходимости хранения цифровых данных, что стало началом истории винчестера на магнитной ленте.

Первые жесткие диски

Дебютный жесткий диск HDD RAMAC 305 был выпущен корпорацией IBM в 1956 году. Он представлял собой устройство из 50 металлических пластин, сопоставимое по габаритам с производственным рефрижератором весом в тонну. Накопитель обеспечивал доступ к данным за 600 миллисекунд, скорость информационного обеспечения составляла 8,8 байтов в секунду. Система была ненадежной, так как элементы быстро нагревались и изнашивались, и в 1961 году выпуск модели RAMAC 305 был остановлен.

Последователем данного винчестера стал IBM 1301, выпущенный в этом же году по технологии Air Bearing, которая позволила увеличить срок службы прибора за счет воздушного слоя между головкой и поверхностью накопителя. В 1962 году появилась модифицированная модель 1311 со сменными кассетами.

В 1973 году в историю вошла модель HDD диска IBM 3340. Устройство обеспечивало получение доступа к информации за 25 миллисекунд и высокую скорость передачи данных – 885 килобайт в секунду.

Существенное влияние на эволюцию винчестеров оказало изобретение тонкопленочного магнитного покрытия. Благодаря этой разработке в 1979 году появился накопитель IBM 3370, у которого плотность записи была увеличена в десятки раз.

В 1980 году появилась модель 3380 с емкостью 2,52 гигабайта и скоростью информационного обеспечения 3 мегабайта в секунду.

Революция в индустрии HDD

Упомянутые выше винчестеры были направлены на использование в корпоративном сегменте. Ввиду компьютерной революции пользователи ПК стали более придирчивыми – возможности хранить 1,2 мегабайта данных на дискете диаметром 5,25 дюймов людям было уже недостаточно.

С учетом требований пользователей в 1980 году компания Seagate разработала премьерный жесткий диск HDD для широкого потребления, который назывался ST-506.

В 1983 году IBM выпустила видоизмененный стандарт накопителя IBM PC – IBM 5160, который вмещал 10 мегабайт информации.

Значительным прорывом в эволюции стал выпущенный в 1988 году HDD в формате 2,5 дюйма и емкостью 20 мегабайт – PrairieTek 220. Десять лет спустя данный формат начали использовать в разработке ноутбуков. В 1992 году на рынок вышел Seagate Barracuda 2LP – новый HDD диск, шпиндель которого вращался со скоростью 7200 оборотов в минуту.

Конец 20 века был ознаменован временем скоростных пластин и появлением современных стандартов.

Как работает HDD

Винчестер изготавливают из специализированного пластика и стекла. Запись информации производится на магнитные диски – алюминиевые или стеклянные пластины с покрытием из ферромагнитного материала.

На оси жесткого диска HDD размещается одна или несколько пластин, число которых влияет на его производительность. Устройство делает 5000 оборотов в минуту, поэтому чем больше пластин, тем больший объем данных можно записать.

Площадь HDD состоит из окружностей с отрезками, которые называются дорожками. Диск получается разделен на несколько секторов. Если соединить между собой дорожки всех пластин с одинаковым радиусом, то они образуют цилиндр.

Для получения доступа к определенной ячейке памяти необходимы следующие данные:

номер цилиндра;
номер головки чтения;
номер сектора.

Главным недостатком HDD дисков является большое количество подвижных элементов, что приводит к износу устройства. Кроме того, следует отметить следующие физические ограничения эффективности работы HDD:

недостаточная скорость вращения диска;
низкая скорость движения считывающей головки;
инертность головки чтения/записи;
высокая концентрация данных на единице площади пластины.

Выпуск интерфейсов IDE и SATA

Для подключения первых винчестеров к ПК использовали платы расширения с интерфейсами ST-506 и ST-412. В 1986 был представлен новый стандарт IDE (АТА), в котором контроллер привода размещался внутри устройства, а не в виде отдельной платы расширения, как в предыдущих интерфейсах.

HDD с параллельным интерфейсом подключения к компьютеру имели следующие преимущества:

улучшение функциональности винчестера за счет меньшего расстояния до контроллера;
упрощение управления накопителем, так как контроллер канала IDE находится отдельно от элементов привода;
снижение стоимости дисковой подсистемы за счет отсутствия необходимости покупки дополнительных модулей;
облегчение производственного процесса благодаря тому, что контроллер привода предусмотрен для конкретного стандарта HDD.

Интерфейс IDE (ATA) ежегодно совершенствовался, и в январе 2003 года была представлена новая спецификация SATA Revision 1.0. Ключевой ценностью HDD с интерфейсом SATA стало применение последовательной шины, а не параллельной. Это позволило работать на более высоких частотах за счет отсутствия потребности синхронизации каналов и большей устойчивости кабеля к помехам. Интерфейс SATA быстро развивался: в 2004 году было выпущено второе поколение, а в 2008 году третье.

Перспективы эволюции HDD

Спрос на хранение больших объемов информации растет, поэтому можно с уверенностью сказать, что потребность в жестких дисках сохранится на ближайшие пару десятилетий.

Кроме того, в наши дни существуют методы, которые могут сгладить недостатки HDD. Например, был создан избыточный массив RAID, благодаря которому HDD работает быстрее и надежнее.

Жесткие диски используют в персональных компьютерах и в центрах обработки данных. Виртуальные выделенные серверы и хостинги также размещают на HDD дисках (хотя все чаще на SSD и NVMe).

Прекращение эксплуатации жестких дисков возможно в случае совпадения двух факторов:

Стоимость гигабайта SSD будет равна или меньше цены гигабайта HDD.
Пользователи станут использовать только облачное хранение для всего развлекательного контента (книги, фильмы, игры, приложения, сериалы). В таком случае отпадет необходимость в локальном хранении больших объемов информации, но возникнет потребность масштабного размещения облачных массивов. Теоретически можно представить исчезновение жестких дисков с потребительского рынка, но их роль в центрах обработки данных пока незаменима.

Несмотря на рост популярности твердотельных накопителей и систем облачного хранения данных, развитие жестких дисков HDD тоже не стоит на месте. Еще долгое время винчестеры будут занимать свою нишу на рынке и иметь постоянный спрос.

3.2. Дисковод

Дисковод — устройство компьютера, позволяющее осуществить чтение или запись информации на носители информации. Основное назначение дисковода, в рамках концепции иерархии памяти — организация долговременной памяти. Основная характеристика дисковода — объём дискового пространства (объем памяти), измеряемый в байтах.

История создания дисковода

В конце 1960-х годов Алан Шугарт изобрел накопитель на гибких дисках. В 1967 году он возглавлял команду, которая разрабатывала дисководы в лаборатории IBM. Именно здесь были созданы накопители на гибких дисках. Дэвид Нобль, один из старших инженеров, работающих под руководством Шугарта, предложил гибкий диск (прообраз дискеты диаметром 8 дюймов) и защитный кожух с тканевой прокладкой.

В 1969 году Шугарт и вместе с ним более ста инженеров покинули IBM, и в 1976 году его компания Shugart Associates представила дисковод для миниатюрных (mini-floppy) гибких дисков на 5,25 дюйма, который стал стандартом, используемым в персональных компьютерах, быстро вытеснив дисководы для дисков диаметром 8 дюймов. Компания Shugart Associates также представила интерфейс Shugart Associates System Interface (SASI), который после формального одобрения комитетом ANSI в 1986 году был переименован в Small Computer System Interface (SCSI). В 1983 году Sony впервые представила компьютерному сообществу накопитель и дискету диаметром 3,5 дюйма. В 1984 году Hewlett-Packard впервые использовала в своем компьютере HP-150 этот накопитель. В этом же году Apple стала использовать накопители 3,5 дюйма в компьютерах Macintosh, а в 1986 году этот накопитель появился в компьютерных системах IBM. Алан Шугарт внес огромный вклад в индустрию персональных компьютеров. Им созданы гибкие и жесткие диски, накопитель SCSI и интерфейсы контроллеров, которые используются по сей день.

В середине 1980-х годов улучшение конструкции головок записи / считывания и усовершенствование носителей магнитной записи привело к созданию менее гибкой 3,5-дюймовой дискеты емкостью 1,44 Мбайт, используемой и в наши дни. В течение нескольких лет в компьютерах использовались дисководы гибких дисков обоих размеров (3,5 и 5,25 дюйма). Однако в середине 1990-х годов дискеты 5,25 дюйма утратили популярность, частично по той причине, что поверхность записи дискеты легко загрязнялась отпечатками пальцев через открытую зону доступа.

Глава 4. Манипуляторы

4.1. Мышь

9 декабря считается днем рождения компьютерной мыши — именно в этот день почти 50 лет назад, в 1968 году, на конференции по интерактивным устройствам в Сан Франциско Дуглас Энгельбарт представил публике компьютерную мышь. И все это время такой манипулятор был и остается самым массовым: даже сейчас, во времена повального распространения тачпадов, сенсорных экранов и голосовых помощников, мышка зачастую является неотъемлемой частью ПК и ноутбуков. Причин на то, в общем-то, хватает: тут и удобство использования (не нужно запоминать всякие жесты 3-4 пальцами; самое сложное, что нужно знать — двойной клик), и максимальная точность (при желании можно попасть в нужный пиксель монитора — сделать это на тачпаде и тем более на сенсорном экране — из разряда фантастики). В итоге мышь и не думает умирать — и хотя со временем потерялся ее хвост, она, как и VGA с 3.5 мм аудио разъемом, будут существовать еще долго (хотя достаточно компаний хотят их убрать с рынка). Но давайте все же начнем с самого начала — с истории создания первой мыши.

История появления компьютерной мыши.

В 1961 году Энгельбарт, сидя на конференции по компьютерной графике (да, для суперкомпьютеров графика появилась на десятилетия раньше, чем для персональных компьютеров), задумался — а как можно удобно управлять графическими элементами на мониторе? Без графики (при текстовом выводе информации) клавиатуры хватало заглаза, но вот управлять элементами, разбросанными по всему экрану, с нее не очень-то удобно (хотя, в принципе, возможно даже сейчас — та же Windows 10 вполне сносно, но очень медленно, управляется только с клавиатуры). Идея, пришедшая ему в голову, была крайне простой: по сути любой дисплей представляет из себя двумерный массив пикселей, каждый из которых имеет свою координату на двух перпендикулярных осях (назовем их X и Y). На экране можно иметь метку-курсор, которая позволяет работать с объектом, находящимся на экране под ним. Но вот как управлять курсором? Да очень просто — мы сделаем два диска, каждый их которых будет отвечать за движение по каждой из осей. Снимать данные с каждого диска нетрудно (значение числа Pi можно округлить, тут это не особо важно), и в результате из двух колесиков и нескольких палочек с простейшим микропроцессором можно получить устройство, которое фигурирует в патенте как «Индикатор положения XY для системы с дисплеем». Сама заявка на патент была подана в 1967 году, а сам патент был получен только в 1970ом.

Представленная в 1968 году мышь выглядела так:

С виду что-то отдаленно напоминающее современную мышку, правда тут было три кнопки и весила она как утюг. Но в те времена такое устройство не прижилось: во-первых, дабы не хромала точность, контроллер в мыши должен был обсчитывать движения хотя бы с десяток раз в секунду — в противном случае можно было легко промазать мимо кнопки (для сравнения, современные мыши имеют частоту опроса 125-1000 Гц, то есть 125-1000 раз в секунду). Но тут уже сдавался сам чип в мыши: напомню, что это был конец 60ых, и частоты микропроцессоров был даже не мегагерцы, а десятки или сотни килогерц. В итоге было решено пойти на хитрость: очевидно, что нам нужно раз в 100 мс получать данные о том, как сильно прокрутилось то или иное колесико. При этом начальная точка каждого движения по умолчанию является конечной точкой предыдущего. Тогда зачем нагружать контроллер вычислениями типа (координата конца) - (координата начала), если можно каждый раз обнулять начальную координату? В таком случае нам остается всего-то передвинуть курсор на экране на то количество пикселей, которое соответствует координате конца движения, а такие данные обсчитать контроллер мыши уже без проблем мог. Ну а самую первую координату после старта системы стали брать в центре экрана — именно поэтому даже сейчас после загрузки системы курсор мыши находится в центре дисплея.

Однако основная проблема энгельбартовской мыши была даже не в этом: колесики могли крутиться строго по горизонтали или вертикали, поэтому вы могли перемещаться по дисплею или вертикально, или горизонтально — никаких движений по диагонали не было. В итоге такая мышь, конечно, позволяла быстрее перемещаться по элементам на дисплее, чем клавиатура, но до удобной работы было еще далеко.

Исправить этот досадный недостаток смог Билл Инглиш, причем всего через 2 года после получения патента Энгельбартом — в 1972 году. Он, к слову, был ассистентом Энгельбарта, и предлагал ему воспользоваться шаровым приводом, который военные использовали еще с 1952 года: он представлял собой обычный шар для боулинга, прикрепленный к сложной аппаратной системе, и вращение шара вызывало смещение курсора на экране. Разумеется, тут не было никаких проблем с перемещением курсора по диагонали, но Энгельбарт признал такой способ неэффективным.

В итоге Инглиш, раздосадованный таким решением своего начальника, перешел работать в Xerox, где в 1972 году представил рабочую мышь с шаровым приводом. Решив, что управлять шаром напрямую неудобно, он расположил его внутри мышки, и два ролика снимают его вращение по обеим осям. Для определения угла поворота каждого ролика изначально использовался контактный энкодер (как и в военной схеме 1952 года) — это был диск с нанесенными на нем на равных расстояниях металлическими дорожками и тремя контактами, прижатыми к нему. При вращении ролика вращался диск, и контакт то пропадал, то появлялся — это позволяло отследить, в какую сторону и как сильно вращается ролик:

Основная проблема — передвижение только по двумя осям — была решена, зато появилась масса других. Во-первых, шарик катался по столу и быстро собирал грязь и пыль, что приводило к загрязнению и заеданию роликов. Во-вторых, контакты на энкодерах быстро окислялись и истирались, что опять же ухудшало точность. Ну а самыми основными проблемами была стоимость и то, что графических интерфейсов тогда как бы и не было, так что изобретение использовали лишь внутри компании, а в продажу первый ПК с мышью вышел лишь в 1981 году (это был Xerox 8010), причем мышь там стоила 400 долларов (больше 1000 долларов по текущему курсу). Разумеется, за такую цену манипулятор провалился — люди привыкли работать только с клавиатурой и не видели смысла в графических интерфейсах, особенно если для них нужен манипулятор с ценой, сравнимой со стоимостью всего ПК целиком.

Однако Стиву Джобсу этот манипулятор очень понравился, и в 1983 году Apple представляет мышь для своего компьютера Lisa. Отлично понимая, что даже за 100 долларов сей продукт провалится, инженеры в Apple сделали действительно невозможное: цена была уменьшена аж до 25 долларов! При этом, увы, пришлось пожертвовать кнопками — она осталась только одна (и это кстати до сих пор у Apple так). Продукт оказался удачным, и, вкупе с все большим распространением графических интерфейсов, мыши тоже стали развиваться и изменяться — так что об этом и поговорим.