Дисководы жестких магнитных дисков

В настоящее время накопители жестких дисков (рис. 4.12) вы­пускаются со следующими значениями формфакторов: 3,5; 2,5; 1,8 и 1 дюймов.

Все их многообразие представляет собой электромеханические устройства, состоящие из одних и тех же основных узлов, к кото­рым относятся магнитные диски, головки считывания/записи, ме­ханизм привода головок, двигатель привода дисков и электронная схема управления на печатной плате.

Разъемы питания накопителей на жестких дисках для стацио­нарных ПЭВМ стандартные, такие как у дисководов для гибких дисков, с двумя номиналами напряжения питания: 5 В поступает на электронные схемы, 12 В питает схемы управления шпиндельным двигателем и приводом головок. В малогабаритных накопителях для портативных компьютеров применяется одно питание — 5 В.

Диски, электродвигатель привода дисков, головки и механизм при­вода головок представляют собой конструктивный узел и размещают­ся в закрытом, но не герметизированном корпусе — для выравнивания давления в блоке предусмотрено закрытое фильтром отверстие, через которое воздух может проникать внутрь или выходить наружу.

В большинстве современных дисководов, предназначенных для портативных ПЭВМ, между этим корпусом и шасси накопителя устанавливается противоударная резиновая прокладка.

Рис. 4.12. 3,5-дюймовый дисковод жестких магнитных дисков: 7 — отсек с магнитными дисками; 2 — печатная плата

Рис. 4.13. Схемы дисководов с линейным и поворотным приводом блока

головок:

7 — набор магнитных дисков; 2 — вал шпинделя; 3 — направление движения блока

головок; 4 — привод блока головок; 5 — направление вращения дисков; 6 — головки

записи/считывания; 7 — двигатель шпинделя

В накопителях обычно применяется несколько дисков (не менее двух), а данные записываются на обеих сторонах каждого из них. В большинстве устройств они несъемные.

Существуют также накопители со сменными жесткими диска­ми. Съемные блоки с дисками имеют металлическую конструкцию, расстояние между диском и головкой у них больше, что снижает плотность записи и общую емкость носителя.

Для переноса данных применяют периферийные мобильные на­копители емкостью 32...4000 Гбайт. Их ударопрочность обеспечи­вается размещением жесткого диска в металлическом корпусе с применением толстой резиновой амортизирующей прокладки.

В накопителях диски монтируются на общей оси шпинделя (рис. 4.13), который вращается от специального двигателя со стандарт­ными скоростями: 4 500, 5 400, 7 200, 10 000, 12 000, 15 000 об./мин и более. Шпиндель представляет собой вращающийся вал с устрой­ством для закрепления магнитных дисков.

Для вращения дисков используется бесшумный так называемый шпиндельный электродвигатель, который напрямую связан с валом крепления дискового набора. Частота вращения дисков должна быть постоянной, поэтому для ее стабилизации используется схема управления с автоподстройкой оборотов двигателя.

В современных накопителях вместо алюминиевых дисков широ­ко используются стеклянные или стекло керамические диски, отли­чающиеся большей прочностью и жесткостью. Они менее воспри-

имчивы к перепадам температур, т.е. их размеры при нагреве и охлаждении изменяются очень незначительно, что повышает плот­ность и стабильность записи данных.

Поверхность каждого диска с двух сторон покрыта слоем из маг­нитного кобальтового сплава толщиной в сотые доли микрон, кото­рый наносится гальваническим покрытием (осаждением металла на диск с помощью тока из специального раствора) или напылени­ем (осаждением газообразного металла в специальных вакуумных камерах).

Для обеспечения износоустойчивости поверх рабочего магнит­ного слоя наносится очень тонкое углеродное защитное полирован­ное покрытие, позволяющее минимизировать зазор между голов­ками и поверхностью дисков и увеличить тем самым амплитуду сиг­нала при считывании данных.

Наиболее сложной частью накопителя являются головки считы­вания/записи, которые по мере развития технологий постоянно со­вершенствовались.

По конструктивному исполнению головки подразделяются на ферритовые (монолитные и композитные), тонкопленочные и маг-ниторезистивные.

Монолитные и композитные (стеклоферритовые) головки изго­тавливали из миниатюрных ферритовых сердечников с проводны­ми обмотками, в тонкопленочных головках использовался метод осаждения слоя проводящего материала на неметаллическом осно­вании по технологии производства микросхем.

В современных дисководах применяются магниторезистивные головки.

Магниторезистивная головка представляет собой сборку из двух головок: тонкопленочная головка служит для записи, а магни­торезистивная — для считывания. В тонкопленочной головке ис­пользуется индуктивный принцип создания магнитного поля. В маг-ниторезистивной головке применяется эффект изменения сопро­тивления чувствительного элемента под действием магнитного по­тока.

Магниторезистивная головка меняет свое сопротивление при прохождении над участками с разным значением остаточной на­магниченности. Через головку протекает небольшой постоянный измерительный ток и при изменении сопротивления в зонах намаг­ниченности диска на ней изменяется падение напряжения, по кото­рому определяется считываемая информация.

В жестких дисках дорожки расположены очень близко друг к другу, поэтому головка считывает сигналы от основной и от соседних дорожек, что отрицательно влияет на помехоустойчивость и до­стоверность получаемой информации. Для нейтрализации ошибок при считывании данных и повышения плотности записи применя­ется вероятностный метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood — метод максимального правдоподобия при перекрыва­ющемся отклике от соседних дорожек). Полезный сигнал от нуж­ной дорожки выделяется по критерию максимума функции правдо­подобия, которая вычисляется в реальном масштабе времени про­цессором цифровой обработки сигналов, встроенным в схему дис­ковода.

В современных дисководах происходит замена так называемого метода продольной записи, когда.магнитные домены, хранящие биты данных, размещены горизонтально вдоль дорожек, на пер­пендикулярный способ, при котором домены ориентируются в вер­тикальном направлении относительно дорожки. Домены имеют не­которую физическую длину, поэтому, размещая их не горизонталь­но, а перпендикулярно дорожке, разработчики жестких дисков до­бились существенного (почти 10-кратного) увеличения плотности записи на квадратный дюйм. При этом сократилось и энергопотре­бление на единицу объема информации за счет уменьшения коли­чества дисков в приводе.

При продольной записи головка фиксирует сигнал фактически только в переходном участке между ячейками с разным направле­нием намагниченности, тогда как при перпендикулярной записи он считывается со всей зоны, в которой хранится бит.

Важной конструктивной единицей дисковода является меха­низм привода головок, который устанавливает их в нужное поло­жение, перемещая от центра к краям диска на заданный цилиндр. В жестких накопителях в основном используют приводы с подвиж­ными электромагнитными катушками.

Подвижная катушка соединяется с блоком головок и размещает­ся в поле постоянного магнита, образуя соленоид. Катушка и маг­нит, расположенный внутри нее, механически не связаны между собой; перемещение катушки осуществляется только при взаимо­действии их магнитных полей. Под действием электрического тока в катушке образуется электромагнитное поле, которое смещает ее вместе с блоком головок относительно закрепленного постоянного

магнита.

В отличие от привода с шаговым двигателем в устройствах с под­вижной катушкой нет фиксированных положений, привязанных к дорожкам диска, поэтому блок головок может плавно перемещать­ся в любые положения в соответствии с изменениями напряжения

управления. Для точного позиционирования головок к нужному цилиндру используется специальная система наведения с автома­тической регулировкой взаимного расположения дорожек и голо­вок. Поиск конкретной дорожки осуществляется по заранее запи­санной на диске информации о позиционировании головок, опре­деляющей реальное положение цилиндра на диске.

Такая конструкция позволяет обеспечить более высокие быстро­действие, точность и надежность, чем традиционный привод с ша­говым двигателем.

Приводы головок с подвижной катушкой бывают двух типов: ли­нейные и поворотные, которые отличаются только схемой механи­ческого соединения катушек и блоков головок.

В линейных приводах катушка непосредственно соединена с бло­ком головок и перемещает их по прямой вдоль линии радиуса дис­ка, как в накопителях на гибких дисках.

В поворотных приводах блок головок крепится к подвижной катушке с помощью рычагов. При движении катушки относи­тельно постоянного магнита рычаги передвигают головки к кра­ям или центру дисков. Поворотный привод используется почти во всех накопителях с подвижной катушкой, так как обладает суще­ственным преимуществом — автоматической парковкой (прину­дительной установкой головок на неработающую зону диска при отключении питания). При включенном питании головки пози­ционируются и удерживаются в рабочем положении за счет взаи­модействия магнитных полей подвижной катушки и постоянного магнита. Для того чтобы при выключении питания головки бес­контрольно не скользили по поверхностям не остановившихся дисков, становясь причиной повреждений магнитного слоя, по­воротный блок головок подсоединяется к возвратной пружине. При отключении питания в ПЭВМ блок головок под воздействи­ем пружины автоматически перемещается в зону парковки, пре­дотвращая возможные повреждения дисков. Когда питание вклю­чено, магнитное взаимодействие катушки и магнита преодолева­ет упругость пружины и обеспечивает штатное функционирова­ние дисковода.

При раскручивании дисков на головки воздействует аэродина­мическое давление, освобождающее их от зоны парковки, оставляя воздушный зазор с магнитным покрытием в сотые доли микрон при достижении полной скорости вращения.

Большинство современных встраиваемых дисководов IDE и SCSI имеют один интерфейсный разъем и подключаются с помо­щью плоского кабеля.

Практически во всех накопителях используется так называемая зонная запись ZBR (Zoned Bit Recording — зонная битовая запись) с переменным количеством секторов на дорожке. Дорожки, более удаленные от центра, а значит и более длинные, могут хранить больший объем данных, поэтому на них размещают большее число секторов, чем на дорожках, более близких к центру.

При этом способе записи цилиндры формируются в группы, ко­торые называются зонами, причем по мере продвижения к внеш­нему краю диска дорожки в зонах разбиваются на все большее чис­ло секторов, длина которых соответствует размеру сектора внут­ренней зоны (рис. 4.14).

Во всех цилиндрах, относящихся к одной зоне, количество сек­торов на дорожках одинаковое. Возможное количество зон зависит от типа накопителя; в большинстве устройств их бывает более 10.

В накопителях, не использующих метод зонной записи (напри­мер, в дисководах гибких дисков или 1-; 1,8-дюймовых накопителях на жестких дисках), все цилиндры содержат одинаковое количе­ство данных несмотря на то, что длина окружности внешних ци­линдров может быть вдвое больше, чем внутренних. В результате при обычной записи теряется пространство внешних дорожек, так как оно используется очень неэффективно.

Для обеспечения надежности в жестких дисководах используют методы предсказания появления ошибок и неисправностей, опре­деляемые системой мониторинга SMART (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology — технология самотестирования, анализа и отчетности).

При активизации системы SMART жесткий диск начинает от­слеживать определенные параметры, чувствительные к неисправ­ностям их накопителя. На основе программного анализа их состоя­ния можно предсказать сбои в работе накопителя.

В большинстве дисководах происходит регистрация следующих параметров: зазор между головкой и дис­ком; скорость передачи данных; количе­ство переназначенных (неисправных)

Л

Рис. 4.14. Обычная и зонная запись инфор­мации на жесткий диск:

1 — сектора; 2 — внешняя зона; 3 — внутренняя зона

секторов; время поиска дорожки и количество повторов процесс,i калибровки накопителя.

Каждый параметр имеет пороговое значение, по которому оп,е нивается состояние накопителя. В большинстве накопителей SMART с помощью операционной системы только оповещает mvu. зователя о нормальной работе или об ошибках, отправляя сообше ние о необходимости резервного копирования данных.

Кроме информационной емкости дисковые накопители хар<и< теризуются временем доступа к информации на диске и скорости*» ее считывания.

Время доступа к информации складывается из времени пером» • щения магнитной головки на нужную дорожку, времени установки головки и времени ожидания момента, когда при вращении нужн.ш область диска (сектор) окажется под головкой.

После доступа к информации происходит ее последовательное считывание, которое характеризуется скоростью.

Быстродействие оценивается по среднему времени доступе! и скорости передачи данных.

Среднее время доступа определяется суммой времени, необхо димого для позиционирования головок на нужный цилиндр и д< > ступа к данным, записанным в случайно выбранном секторе. Для современных накопителей это время составляет менее б мс.

Скорость передачи данных определяет объем данных, переден i ных (принятых) накопителем в единицу времени. Для ее повыше ыия многие накопители имеют встроенную кэш-память, размер которой достигает несколько десятков мегабайт. Кэш-память дис­ка заполняется с применением опережающего считывания не только требуемым сектором, но и следующими за ним секторами, так как в большинстве случаев (в дефрагментированных накопи телях) взаимосвязанные данные файла хранятся в соседних сект» > pax.

Быстродействие накопителя зависит от многих факторов: чаек > ты вращения диска, скорости перемещения системы головок, коли ч:ества секторов на дорожке и места расположения данных. С р<> стом частоты вращения дисков возрастает скорость съема данных, так как выведение головок на заданный сектор происходит с меш. шим временем доступа.

Среднее время безотказной работы MTBF (Mean Time Between Failure) накопителей на жестких дисках определяется производите лем или расчетным путем, или на основе длительных статистичес к 11 \ испытаний большого количества дисководов с фиксацией их otk.i зов и по некоторым оценкам может достигать сотен тысяч часов.