В 1973 году фирмой IBM по новой технологии был разработан жесткий диск, который мог хранить до 16 Кбайт информации. Поскольку этот диск имел 30 цилиндров (дорожек), каждая из которых была разбита на 30 секторов, то ему присвоили название — 30/30. По аналогии с автоматическими винтовками, имеющими калибр 30/30, такие жесткие диски стали называться «винчестерами». Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками первоначально были заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке этого модуля на сам дисковод он автоматически соединялся с системой, подающей очищенный воздух.
Накопители на жестких магнитных дисках или HDD (НЖМД, HardDiskDrive) по многим техническим характеристикам (информационной емкости, времени обращения, скорости обмена данными, надежности и др.) значительно превосходят НГМД, обеспечивая более производительную и надежную работу ПЭВМ. Их конструкции (форм-фактор) имеют, как правило, такие же размеры и диаметр дисков, что и НГМД, те же напряжения электропитания (5 В – логика и 12 В - двигатель). Наименование диска – жесткий – подчеркивает его отличие от гибкого диска: магнитное покрытие наносится на жесткую подложку.
HDD содержат большее число прецизионных электромеханических узлов и механических деталей, поэтому значительно сложнее по конструкции, а, следовательно, и дороже. Большинство моделей НЖМД (HDD), применяемых в ПЭВМ, выполняются несменными.
В настоящее время наибольшее распространение получили 3 - хдюймовые HDD (89 мм). Цифры обозначают диаметр используемых в HDD магнитных дисков.
Конструктивно в состав HDD (рис. 1) входят:
В гермоблоке размещены все механические части, на печатной плате - вся управляющая электроника, за исключением предусилителя, размещенного внутри гермоблока в непосредственной близости от головок.
Корпус (гермоблок) состоит из основания и крышки. Внутри корпуса находятся все механизмы и некоторые электронные узлы (пpедусилитель и схема записи). Он предназначен для:
Корпус не герметичен, т. к. для выравнивания внутреннего и внешнего давления (для нормального полета головок), перекачка воздуха осуществляется сквозь специальный барометрический фильтр , задерживающий частицы размером более 0,3 мкм. Для создания «сверхчистой» среды внутри корпуса обеспечивается очистка воздуха фильтром рециркуляции от частиц рабочего слоя носителя, которые могут осыпаться с дисков.
Т.о., надежность работы HDD повышается (меньше вероятность выхода из строя МГ), а возможность возникновения ошибок при записи или считывании информации из-за попадания частиц между головкой и носителем сводится к минимуму.
Технология сборки HDD предусматривает их производство только в чистых помещениях, соответствующих требованиям класса 100. Это означает, что в одном кубическом футе воздуха может присутствовать не более 100 пылинок размером от 0,5 мкм (т.к. головки парят над поверхностью на высоте 0,08...0,12 мкм).
Вскрывать корпус можно только в производственных условиях, в так называемой "чистой зоне", что исключает попадание внутрь пыли и других вредных веществ. Накопители зарубежных фирм, как правило, имеют специальную надпись на верхней крышке корпуса. Надпись обычно выполняет роль предохранительной пломбы и гласит следующее: "Вскрытие изделия прекращает действие гарантии".
Количество дисков в HDD в основном ограничивается высотой корпуса (и маркетинговыми соображениями) и составляет от 1 до 11.
Жесткий магнитный диск — круглая пластина. Требования :
Диски изготавливаются из сплавов алюминия (толщиной 1...2 мм) или стекла с керамическими включениями. Стеклокерамические диски более прочны и при тех же параметрах более тонкие, чем диски из алюминиевого сплава. Также они менее восприимчивы к колебаниям температуры, т. е. их размеры при нагревании и охлаждении изменяются весьма незначительно (мал температурный коэффициент расширения материала).
Диск покрывается магниточувствительным рабочим слоем. Механическая прочность и устойчивость рабочего слоя определяет долговечность дисков.
Самыми распространенными являются два типа рабочего слоя:
Ранее применялись накопители, в которых для хранения информации применялся сравнительно толстый и менее долговечный слой оксида железа , который в виде ферролака наносился на рабочие поверхности дисков (такое же покрытие используется при изготовлении обычной магнитной ленты) . Цвет диска получается коричневый или желтый.
В последние годы изготовители HDD сосредоточили свое внимание на повышении долговечности носителей и отыскании самых рациональных способов записи информации. Одним из наиболее важных достижений в этой области является появление носителей с тонкопленочным напыляемым покрытием .
При их изготовлении мелкозернистое металлическое соединение наносится на поверхность диска методом напыления. Современные модели накопителей работают с дисками, покрытыми слоем сплава кобальта толщиной порядка 0,025-0,08 мкм. Технология его нанесения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем. Поверх магнитного слоя наносится очень тонкое ( ~ 0,025 мкм) углеродное защитное покрытие, имеющее высокую прочность. Цвет диска – серебристое зеркало.
В связи с тем, что слой напыляемого покрытия тоньше и однороднее, чем слой оксида, стало возможным записывать на диск информацию с большой плотностью. Это повлекло за собой сокращение числа необходимых для хранения информации дисков и уменьшение их размера.
Нужно заметить, что не вся поверхность диска используется для хранения информации. Рабочая область , как и на грампластинке, занимает только среднюю часть поверхности. Наружная часть поверхности (расположенная возле внешнего радиуса) не используется ввиду того, что на ней возможно наличие механических дефектов, связанных с технологией изготовления дисков. Внутренняя часть поверхности не используется по той же причине, а кроме того, эта зона нужна для размещения в ней головок записи-чтения при транспортировании HDD. Это исключает порчу информации в рабочей зоне при соприкосновении головок с поверхностью диска вследствие воздействия вибрации.
Двигатель, приводящий во вращение магнитные диски, является шпиндельным (Spindel). Шпиндель – это ось, на которой собраны все пластины (диски).
Шпиндельный двигатель связан с осью вращения дисков непосредственно (без передаточных шестерен, пружин и т. п.). В первых моделях накопителей на жестких дисках шпиндельный двигатель располагался в их нижней части, под гермоблоком. Во многих современных устройствах двигатель встраивается внутрь пакета дисков, представляя собой центральную его часть. Такая конструкция позволяет, не изменяя размера накопителя по высоте, увеличивать количество дисков.
Требования к шпиндельному двигателю:
Скорость вращения двигателя современных накопителей колеблется от 3600 до 10000 и даже 15000 об/мин [Rotates per minute — RPM). Эта характеристика в значительной мере определяет производительность накопителей. Повышение скорости вращения двигателя — это заметный рост скорости передачи данных и значительное снижение времени доступа к ним.
Особые требования предъявляются к механической части двигателя. В 1997 году компания Seagate выпустила новые жесткие диски семейства Medalist Pro, ориентированные на использование в настольных высокопроизводительных персональных компьютерах и мультимедийных системах. Это первые, на тот момент, диски с интерфейсом АТА, в которых скорость вращения пластин была повышена до 7,200 оборотов в минуту. До этого такая скорость была прерогативой дорогих SCSI-накопителей для рабочих станций и серверов. Не последнюю роль тут сыграли новые жидкостные приводы шпинделя, обеспечившие высокую надежность, устойчивость к ударным нагрузкам и вибрации, снизившие шум и трение. В настоящее время уже большинство фирм производителей HDD применяют в своих изделиях жидкостные подшипники.
Благодаря повышению скорости вращения шпиндельного двигателя до 10000 об/мин внутренняя скорость передачи данных повышается и превосходит на 40% соответствующий параметр накопителей со скоростью вращения двигателя 7200 об/мин.
Однако высокие скорости вращения порождают проблемы, связанные с балансировкой, гироскопическим эффектом и аэродинамикой головок. Из-за гироскопического эффекта не рекомендуется перемещение (точнее, смена ориентации оси шпинделя) включенных накопителей с вращающимся шпинделем. Накопители для портативных компьютеров разрабатываются с учетом этих эффектов.
Для того, чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера должен иметь запас по пиковой мощности. При установке нескольких HDD можно организовать их поочередное включение.
наверх
Что же представляет из себя жидкостный подшипник?
В жидкостных подшипниках, предназначенных для моторов привода пластин винчестера, используется вязкое масло или просто воздух, а не металлические шарики. Благодаря этому такие приводы значительно превосходят по ряду характеристик традиционные шарикоподшипниковые. Число шариков в обычных подшипниках шпиндельного двигателя обычно составляет от 8 до 12. Любые малейшие неточности их формы или формы направляющей канавки, по которой они катятся, при вращении мотора могут послужить причиной неповторяющихся вибраций. Это накладывает некоторые ограничения на допустимую удельную плотность записи треков на дюйм рабочей поверхности пластины, заметно снижая, таким образом, общую емкость винчестера. К тому же подшипники качения отличаются от подшипников скольжения тем, что при больших частотах вращения у них снижается долговечность и весьма ограничена способность воспринимать ударные нагрузки. В жидкостных динамических подшипниках вращающиеся части мотора отделены друг от друга пленкой масла, которая действует как поглотитель ударных нагрузок и предупреждает повреждение рабочих поверхностей подшипника. Если обычные шарикоподшипниковые приводы винчестеров способны выдержать ударные нагрузки до 150g (в нерабочем состоянии, разумеется), то жидкостные гидравлические подшипники спокойно переносят таковые до 1,200g, что подтвердили проведенные Seagate испытания. Динамический жидкостный подшипник способен быстро гасить любые вибрации как внутреннего, так и внешнего происхождения. Эта способность также чрезвычайно важна для обеспечения правильной записи и чтения данных с дисковых пластин при высокой их удельной плотности. Отсутствие контакта обеспечивает и теоретически бесконечный срок службы приводов с жидкостными подшипниками. Ресурс обычных приводов рассчитывается в часах работы мотора, по истечении которых в металле накопляются усталостные напряжения от постоянного качения шариков по направляющим канавкам подшипника. После этого резко возрастает вероятность заклинивания привода. Естественно, срок службы сокращается и за счет физического износа поверхностей шариков и канавок, что приводит к нарушению их формы, снижению точностных характеристик привода и учащающимся ошибкам при чтении/записи данных с заданной плотностью треков.
Все магнитные головки накопителя конструктивно объединенны в блок и размещены на подвижном позиционеpе.
Головки крепятся к рычагу, который обеспечивает их перемещение над поверхностью пластин от трека к треку. В эту сборку (по-английски она называется Slider Assembly) входят головки чтения-записи, слайдер, который опускается на поверхность пластин при выключении питания и их остановке, а также сам рычаг привода головок.
Вращающиеся пластины создают внутри герметичного корпуса очень сильный поток воздуха, который вследствие аэродинамического эффекта отрывает головки от их поверхности. Но этого недостаточно для надежной работы дисковода, так как головки должны не просто лететь, а находится на строго определенной высоте на расстоянии 0,08 - 0,12 мкм от поверхности диска, не касаясь его. Поэтому рычаг привода и слайдер рассчитываются по всем законам аэродинамики и представляют собой нечто вроде самолетного крыла, только в тысячи раз миниатюрнее и точнее.
Высота «полета» головки должка выдерживаться довольно строго, иначе магнитные поля головок будут «промахиваться» мимо рабочего слоя. Высота определяется тем положением, когда подъемная сила, определяемая скоростью вращения, формой «крыла» головки и плотностью воздуха, уравновесит давление прижимающей головку пружины. Плотность воздуха меняется в зависимости от атмосферного давления, и по этой причине в параметрах накопителей указывают максимальную высоту над уровнем моря, на которой может работать накопитель (или минимальное атмосферное давление).
Все магнитные головки перемещаются одновременно, осуществляя параллельный доступ к одноименным дорожкам с одинаковыми номерами, т.е. к цилиндру . При выполнении операций записи-чтения контроллер выбирает одну из головок, т.е. в каждый момент времени запись или чтение может производиться только на одной дорожке.
Привод головок обязан обеспечить очень точное позиционирование их над дорожками пластин. О точности можно судить, учитывая, что на одном дюйме (2.54 см) радиуса пластин размещается более 10.000 треков.
Типом привода головок во многом определяется быстродействие и надежность накопителя, его температурная стабильность, чувствительность к вибрациям и выбору рабочего положения, достоверность считанных данных. Именно с помощью механизма привода головки перемещаются от центра дисков к их краям и устанавливаются на заданный цилиндр.
По виду траектории движения механизмы привода головок делятся на линейные и поворотные .
Привод с линейным механизмом перемещает головки строго по радиусу диска. Главное достоинство – не возникают азимутальные погрешности. Его недостатком является значительная инерционность, снижающая скорость перемещения головок, а следовательно, и производительность накопителя.
Привод с поворотным механизмом перемещает головки по кривой, определяемой длиной позиционера. Плечи рычагов делаются разными – то, на котором размещены головки, имеет большую длину. Такой привод менее инерционен и может двигаться с большими ускорениями, что существенно сокращает время доступа к данным.
При поворотах позиционера головки совершают движение по дуге между центром и периферией дисков. Угол поворота позиционера подобран вместе с расстоянием от оси позиционера до головок так, чтобы ось головки при поворотах как можно меньше отклонялась от касательной дорожки. Недостаток - азимутальные погрешности, что накладывает ограничение на ширину рабочей зоны.
Существует множество различных конструкций механизмов приводов головок, которые можно разделить на два основных типа: с шаговым двигателем (с открытым контуром) и с подвижной катушкой (с обратной связью).
Механизм с шаговым двигателем
У накопителей с приводом на шаговом двигателе среднее время доступа к данным значительно больше, чем у накопителей с приводом на подвижной катушке. По этой причине привод с шаговым двигателем нашел основное применение в дисководах для гибких магнитных дисков и в накопителях на жестких дисках малой (до 100 Мбайт) емкости.
Шаговый двигатель — это электродвигатель, ротор которого под действием серии импульсов, подаваемых на его обмотки, может поворачиваться ступенчато, каждый раз на строго определенный угол. Этот угол может быть только кратен минимальному шагу, определяемому конструкцией двигателя. Вращательное движение вала шагового двигателя преобразуется в поступательное движение блока магнитных головок с помощью:
Обычно каждому шагу ротора (повороту на фиксированный угол) соответствует перемещение головок на одну дорожку.
С точки зрения теории автоматического управления привод с шаговым двигателем является разомкнутой системой (то есть системой без обратной связи). Такая система не позволяет корректировать ошибки позиционирования блока магнитных головок вызванных различными причинами.
Приводы с шаговым двигателем чувствительны к колебаниям температуры и к выбору рабочего положения накопителя. Серьезный недостаток такого механизма — появление люфта в процессе эксплуатации.
Механизм с подвижной катушкой
По принципу действия конструкция привода с подвижной катушкой напоминает обычный громкоговоритель (поэтому английский термин для обозначения этого устройства —voice coil— звуковая катушка).
В типичной конструкции такого привода подвижная катушка жестко соединена с блоком головок и размещается в поле постоянного магнита (иногда такую конструкцию называют соленоидным приводом, или актюатором — actuator).
Электрический импульс, поступая на катушку, приводит к появлению магнитного поля, пропорционального силе тока. В результате взаимодействия созданного магнитного поля с полем постоянного магнита возникает сила, вызывающая перемещение катушки, а следовательно, и блока головок. Управляя направлением и силой тока, можно быстро перевести блок головок в любое положение — произвольное, а не по фиксированным шагам. Но в такой системе позиционирования необходима обратная связь — информация о текущем положении головок, по которой контроллер может управлять приводом.
Привод, обеспечивающий точное позиционирование по сигналу обратной связи, называется сервоприводом .
Управление сервоприводом может быть оптимизировано по времени установления головок на требуемую позицию: когда отклонение от заданного положения велико, можно подавать больший ток, вызывающий большое ускорение блока. По мере приближения ток уменьшается, а для компенсации инерции в конце позиционирования ток может и поменять направление (активное торможение).
Такая система привода позволяет сократить время доступа до единиц миллисекунд против сотен миллисекунд, характерных для шагового привода. Остается только решить вопрос об источнике сигнала обратной связи для сервопривода, который, с точки зрения теории автоматического управления, является замкнутой системой.
Механизм оказывается быстродействующим и не столь шумным, как привод с шаговым двигателем.
Поворотный механизм привода с подвижной катушкой используется почти всеми фирмами - производителями накопителей на жестких дисках.
В отличие от систем с шаговыми двигателями, в приводе с подвижной катушкой используется электронная обратная связь для точного определения местоположения головок и коррекции его относительно дорожек.
Цель – обеспечивать постоянную корректировку положения головок и их наведение (позиционирование) на соответствующий цилиндр.
Такая система наведения головок, называется сервоприводом , в основе которой лежит использование сигнала обратной связи, несущего информацию о реальном взаимном расположении дорожек и головок.
Существует несколько способов построения петли обратной связи, которые отличаются друг от друга своей технической реализацией. При всех способах построения петли обратной связи для ее работы необходима специальная информация ( сервокоды ). Обычно она записывается в так называемом коде Грея. В этой системе кодирования при переходе от одного числа к следующему или предыдущему изменяется всего один двоичный разряд. При таком подходе информация считывается и обрабатывается намного быстрее, чем при обычном двоичном кодировании, и определение местоположения головки происходит практичеески без задержки.
Сервокоды записываются на диск в процессе его изготовления при низкоуровневом форматировании ( LLF ) и не изменяются в течение всего срока его эксплуатации.
Сервокоды надежно защищены и удалить их невозможно. Они записываются на специальных устройствах, в которых головки последовательно перемещаются на строго определенные позиции (цилиндры). Для сверхточного позиционирования применяется лазерная система наведения , расстояния определяются с точностью до долей волны лазерного луча интерференционным методом через специальные отверстия, заклеиваемые гермолентой (гарантия!). Перемещения блока магнитных головок осуществляются по командам лазерной системы наведения для контроллера HDD. После установки блока магнитных головок на очередной трэк, он полностью форматируется с нанесением сервокодов.
Температурные колебания не сказываются на точности работы привода с подвижной катушкой. Поскольку сервокод считывается непрерывно, то в процессе нагрева работающего накопителя и расширения дисков система наведения головок отслеживает дорожку и проблем со считыванием данных не возникает.
Поскольку привод с подвижной катушкой отслеживает реальное положение блока магнитных головок на дорожке, то ошибки позиционирования, возникающие со временем в накопителях с шаговым двигателем, в данных устройствах отсутствуют.
На точности позиционирования не сказываются также расширение и сжатие дисков, происходящие вследствие колебаний температур, так как в современных накопителях с приводом с подвижной катушкой в процессе работы через определенные промежутки времени выполняется их температурная калибровка .
Эта процедура заключается в том, что все головки поочередно переводятся с нулевого на какой-либо другой цилиндр. При этом с помощью встроенной схемы проверяется, насколько сместилась заданная дорожка относительно своего положения в предыдущем сеансе калибровки, и вычисляются необходимые поправки, которые заносятся в оперативное запоминающее устройство в самом накопителе. Впоследствии эта информация учитывается при каждом перемещении головок, позволяя их быстро устанавливать с максимальной точностью.
В большинстве накопителей температурная калибровка выполняется через каждые 5 мин в течение первого получаса после включения питания, а затем через каждые 25 мин. Эта операция очень заметна: накопитель прекращает обработку запросов и некоторое время активно работает (слышно по звуку). Эта процедура выполняется в большинстве современных интеллектуальных накопителей (IDE и SCSI), что, в конечном итоге, позволяет подводить головки к дорожкам с максимально возможной точностью.
Но при выполнении калибровки прекращаются все обмены данными с накопителем. Поэтому фирмы, производящие накопители, начали выпуск их специальных A / V ( Audio Visual) модификаций, в которых начало очередной температурной калибровки задерживается до тех пор, пока не закончится текущий сеанс обмена данными. Большинство современных моделей IDE и SCSI HDD относится к этому типу.
Накопители, которые делают автоматическую температурную калибровку, выполняет также свипирование диска ( sweeping ). Дело в том, что, хотя головки не касаются носителя, они располагаются настолько близко к нему, что начинает сказываться воздушное трение . Несмотря на свою сравнительно малую величину, оно все же может привести к преждевременному износу поверхности диска в том случае, если головка будет постоянно, или почти постоянно, находиться над одной и той же дорожкой.
Чтобы этого не произошло, выполняется процедура свипирования : если головка слишком долго остается неподвижной (т.е. операции считывания и записи не выполняются), то она автоматически перемещается контроллером на случайно выбранную дорожку, расположенную ближе к краям диска, т.е. в ту область, где линейная скорость диска максимальна, а следовательно, воздушный просвет между его поверхностью и головкой имеет наибольшую величину. Временная задержка выбирается относительно небольшой (обычно 9 мин). Если после перевода головки диск снова окажется "в простое" в течение такого же времени, то головка переместится на другую дорожку и т.д..
Для магнитных головок весьма критично расстояние от головки до поверхности магнитного слоя носителя.
«Падение» головки на рабочую поверхность, которое произойдет, если диск остановится, может повредить как головку, так и поверхность диска. Чтобы этого не происходило, в нерабочем положении головки паркуются ( Park ) — отводятся в нерабочую зону, где допустимо их «приземление».
Старые HDD требовали выполнения операции парковки, инициируемой программным обеспечением. Для ее выполнения в параметрах жестких дисков, хранимых в CMOS , присутствовал номер цилиндра для парковки ( Landing Zone или LZone ). Парковка выполнялась запуском утилиты PARK или других утилит. Однако, если после выполнения парковки появлялось обращение к жесткому диску, головки его, естественно, выходили из «зоны приземления», и парковка теряла смысл.
В современных накопителях , имеющих привод с подвижной катушкой, парковка осуществляется автоматически при снижении напряжения питания или же по снижении скорости вращения шпинделя ниже допустимого значения.
Когда питание включено, головки позиционируются и удерживаются в рабочем положении за счет взаимодействия магнитных полей подвижной катушки и постоянного магнита.
Пpи отключении питания пpоцессоp контроллера, используя энеpгию, оставшуюся в конденсатоpах платы, выдает команду на установку позиционеpа в паpковочное положение, котоpая успевает выполниться до снижения скоpости вpащения ниже кpитической. В pяде моделей для аваpийного питания схемы пpи автопаpковке служат обмотки шпиндельного двигателя - основные или специальные.
При выключении питания поле, удерживающее головки над конкретным цилиндром, исчезает, и они начинают бесконтрольно скользить по поверхностям еще не остановившихся дисков, что может стать причиной повреждений. Для того, чтобы предотвратить возможные повреждения накопителя, поворотный блок головок подсоединяется к возвратной пружине . Когда компьютер включен, магнитное взаимодействие обычно превосходит упругость пружины. Но при отключении питания головки под воздействием пружины перемещаются в зону парковки до того, как диски остановятся.
В старых накопителях с линейным приводом для возврата головок в исходное состояние использовали энергию, запасенную в конденсаторе.
В некотоpых HDD для автоматического возвpата служит помещенное между дисками коpомысло , постоянно испытывающее давление воздуха. Пpи отключении системы слежения пpотиводействие исчезает и коpомысло толкает позиционеp в паpковочное положение, где тот фиксиpуется защелкой.
Движению головок в стоpону шпинделя способствует также центpостpемительная сила , возникающая из-за вpащения дисков.
Для таких накопителей указанное в BIOS Setup значение параметра LZone игнорируется. Контроллеры современных дисков к тому же не выпустят головок из зоны парковки, пока шпиндель не наберет заданных оборотов.
Таким образом, чтобы в накопителях с приводом от подвижной катушки привести в действие механизм парковки головок, достаточно просто выключить компьютер; никакие специальные программы для этого не нужны. В случае внезапного исчезновения питания головки паркуются автоматически.
Вся поверхность на дисках разделена на дорожки, те в свою очередь, на сектора. Запись и чтение осуществляется посекторно. На емкость диска оказывает влияние применяемый способ записи. В старых дисках применяется метод модифицированной частотной модуляции MFM (Modified Frequency Modulation), в более новых моделях — метод RLL (Run Length Limited) и ARLL (Advanced RLL - улучшенный RLL) .
Метод MFM (Modified Frequency Modulation - модифицированная частотная модуляция) используется для записи на гибкие диски, а также - в ранних винчестерах для PC XT. При использовании этого метода на одну дорожку винчестера записывается 17 секторов по 512 байт каждый.
Метод RLL (Run Length Limited - ограниченная длина серии) использует более плотную упаковку данных при записи, повышая объем информации на дорожке примерно на 50%. Кодирование производится таким образом, чтобы длина серии нулей не выходила за пределы заданных параметров; обычно минимум равен двум, а максимум - семи. Соответственно, метод часто обозначается как RLL (2,7). На дорожку записывается до 27 секторов. Суть RLL состоит в следующем: каждый входящий байт, состоящий из 8 бит, разделяется на две 4-х битные части, затем каждая из частей преобразуется в специальный 5-битный код. Особенность этого кода в том, что каждое число в нем содержит минимум одно изменение направления потока. Использование такого метода дает возможность отказаться от синхроимпульсов и тем самым повысить плотность записи и скорость считывания.
Метод ARLL (Advanced RLL - улучшенный RLL) - дальнейшее развитие RLL в сторону повышения плотности упаковки. Обычно применяется с параметрами (1,7) и (3,9). На дорожку записывается 34 и более сектора.
Также, в современных винчестерах, применяется эффективный, хотя и сложный в реализации метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood), что можно перевести как метод максимального правдоподобия при частично перекрывающемся отклике от соседних дорожек. Дорожки расположены так близко, что головка считывает сигналы от нескольких соседних дорожек сразу, а затем на основе методов теории вероятностей выделяется сигнал от нужной дорожки по критерию максимума функции правдоподобия, которая на лету вычисляется специализированным процессором цифровой обработки сигналов, установленным на плате управления диском. При этом плотность записи повышается еще на 40-50%.
Важной особенностью современных HDD является применение зонно-секционной записи (ZBR), при которой все дисковое пространство разбивается на зоны и в каждой зоне записывается определенное количество секторов на дорожку. Количество зон может достигать 20, а количество секторов в зонах, в зависимости от емкости, колеблется от 90 - 140 в самой первой зоне и плавно уменьшается до последней, где может достигать 40 - 70. Такой метод еще называют методом с постоянной плотностью записи. Естественно, что канал считывания/записи такого накопителя должен работать на различных частотах, при этом первая зона работает на самой высокой частоте и обеспечивает наибольшую скорость считывания данных.
наверх
Печатная плата с электронными компонентами (printed circut board, PCB) - съемная, подключается к геpмоблоку чеpез один-два pазъема pазличной констpукции. Находится внизу HDD.
Все схемы содержат как цифровые, так и аналоговые компоненты. Они расшифровывают команды контроллера жесткого диска (в старых моделях он был внешним) и передают их в виде изменяющегося напряжения на двигатель, перемещающий магнитные головки к нужному цилиндру диска. Кроме того, они управляют приводом шпинделя, стабилизируя скорость вращения пакета дисков, генерируют сигналы для головок при записи, усиливают эти сигналы при чтении и управляют работой других электронных и механических узлов накопителя.
В современных HDD с интерфейсами АТА (он же IDE ) и SCSI контроллер встраивается на плату электpоники .
Т. о., на плате электpоники pасположены :
Разработчики винчестеров стремятся к сокращению числа микросхем, применяемых в блоке электроники (это с технико-экономической точки зрения почти всегда выгодно), и распределение функциональных узлов по микросхемам может варьироваться. Так, например, контроллер НЖМД может объединяться с управляющим процессором и некоторыми другими узлами в одной специализированной заказной ИС.
Hа одних винчестеpах пpогpамма пpоцессоpа полностью хpанится в ПЗУ, на дpугих опpеделенная ее часть записана в служебной области диска.
Hа диске также могут быть записаны паpаметpы накопителя (модель, сеpийный номеp и т.п.). Hекотоpые винчестеpы хpанят эту инфоpмацию в электpически пеpепpогpаммиpуемом ПЗУ (EEPROM).
Интерфейс накопителя определяет возможную скорость обмена между буферной памятью винчестера и хостом. Основные интерфейсы винчестеров обеспечивают скорость передачи более высокую, чем внутренняя скорость обмена с пластинами, благодаря чему не тормозят обмен с дисками. Для интерфейса АТА эта скорость лежит в диапазоне от 3,3 Мбайт/с (PIO Mode 0) до 66 и даже 100 Мбайт/с (Ultra DMA). Для SCSI - от 5 Мбайт/с (обычный «узкий») до 160 Мбайт/с (UltraS Wide). Оптический интерфейс Fibre Channel обеспечивает скорость 100 или 200 Мбайт/с. Рекордсмен лета 2000 года — винчестер Cheetah X15 (15 000 об/мин) с интерфейсом UltraS Wide SCSI (160 Мбайт/с) — обеспечивает длительную скорость обмена 38-47,4 Мбайт/с. Для внешнего подключения сменных устройств используют LPT-порт (0,1-2 Мбайт/с) или шину USB (около 1,5 Мбайт/с) — здесь низкая скорость является расплатой за мобильность (в недорогом варианте). Правда, новая версия USB 2.0 обеспечит скорость 60 Мбайт/с, что соизмеримо с АТА и SCSI.
Многие винчестеpы имеют на плате электpоники специальный технологический интеpфейс с pазъемом, чеpез котоpый пpи помощи стендового обоpудования можно выполнять pазличные сеpвисные опеpации с накопителем - тестиpование, фоpматиpование, пеpеназначение дефектных участков и т.п.
У некоторых накопителей технологический интеpфейс выполнен в стандаpте последовательного интеpфейса, что позволяет подключать его чеpез адаптеp к алфавитно-цифpовому теpминалу или COM-поpту компьютеpа. В ПЗУ записана так называемая тест-монитоpная система (ТМОС), котоpая воспpинимает команды, подаваемые с теpминала, выполняет их и выводит pезультаты обpатно на теpминал.
На этой же плате обычно находятся интерфейсный разъем и разъем для подачи питающих напряжений. Как правило, HDD требуют двух номиналов питания: +5В и +12В. Очередность подачи питающих напряжений не регламентируется. Напряжение +5В питает интерфейсные схемы, узлы записи-чтения, следящую систему и другие узлы управления. От напряжения +12В питаются схемы, управляющие позиционированием головок записи-чтения и вращением шпинделя. Заметим, что неверная цоколевка внешнего разъема питания (подача +12В вместо +5В или ошибочная подача напряжений с обратной полярностью) практически всегда выводит HDD из строя. Ввиду использования многими фирмами в своих изделиях специальных БИС, ремонт таких HDD крайне затруднен.
Современные контроллеры имеют встроенную кэш-память, от размера которой и алгоритма использования сильно зависит производительность обмена данными.
Общепринятой технологией кэширования диска является упреждающее считывание (Read Ahead). Суть его проста: если контроллер получает запрос на чтение сектора, то он автоматически считает в буфер и секторы, следующие за запрошенным. Весьма вероятный запрос к следующему сектору будет обслужен из буфера без задержки (Latency), которая возможна из-за естественной несинхронизируемости действий операционной системы и приложений с вращением диска.
Более «ловкие» контроллеры идут дальше: они считывают в буфер весь трек, как только выполнится команда позиционирования, а когда придет следующая за ней команда чтения, данные уже будут в буфере. Такие хитрости ( Zero Eatency — нулевая задержка) позволяет система команд интерфейса SCSI .
Как и для всякой кэш-памяти, для эффективности встроенного кэша накопителя существенным фактором является алгоритм выделения памяти и замещения старых записей. Как обычно, замене подлежат наиболее старые записи. Вопрос о размере выделяемых областей для упреждающего чтения может решаться исходя из текущей статистики обращений.
Контроллер с адаптивным кэшированием, заметив, что последние запросы чтения являются одиночными, перестанет выделять большие области под упреждающее чтение. Если характер запросов изменится, адаптивный контроллер примет соответствующие решения.
Кроме того, отпечаток на алгоритм кэширования накладывает и многозадачный характер современных операционных систем и их дисковых запросов – многосегментный кэш. Таким образом, многозадачность проникает и во встроенные контроллеры дисков.
Хранение и извлечение данных с диска требует взаимодействия между операционной системой, программами BIOS, контроллером жесткого диска и электронными и механическими компонентами самого HDD.