Накопители на жесткие магнитные диски

Лабораторная работа № 7

 

Цель работы: Познакомиться с устройством и принципами

работы накопителей на жестких магнитных диски.

 

Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках или НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск, в компьютерном сленге «винче́стер» — запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи.

Рисунок 1. Устройство НЖМД.

 

 

Информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома — магнитные диски. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

 

 

Рисунок 2. Жёсткие пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала.

 

 

- Принцип работы

 

В своей работе винчестеры используют принцип магнитной записи, который впер­вые был применен при записи звука на магнитную ленту. Данные записываются и считываются специальными головками с поверхности вращающихся магнитных дисков.

Если при записи на головку подается сначала положительный сигнал, а затем отри­цательный (или наоборот), то магнитные поля доменов ориентируются в соответст­вии с направлением магнитных полей, создаваемых головкой записи (рисунок 3).

 

Рисунок 3. Изменение направления магнитного поля в обмотке головки и доменов

Во время чтения головка регистрирует моменты изменения полярности и выдает ряд импульсов, каждый из которых соответствует моменту изменения полярности. Им­пульсы декодируются в последовательность двоичных данных. Соответственно при записи цифровые данные преобразуются в электрические сигналы. Для избежания потерь или искажения информации необходима синхронизация за­писывающей и считывающей головки. Как правило синхросигнал объединен с сиг­налом данных и передается вместе с ним по одному каналу в соответствии с исполь­зуемым методом кодирования.

За прошедшие годы было разработано множество различных методов кодирования сигналов, но широко использовались только FM, MFM и RLL.

Самым первым был метод частотной модуляции — FM (Frequency Modulation). При использовании данного метода каждая битовая ячейка начинается с повторного из­менения полярности магнитных доменов. Таким образом единичный бит записывается в виде двух близко расположенных зон изменения полярностей, а при записи "0" расстояние между зонами удваивается.

В настоящее время при кодировании данных используется метод RLL (Run LengM Limited), который позволяет разместить на диске в три раза больше информации, чем при FM-кодировании. Суть метода в увеличении числа ячеек между зонами изменения полярностей. Существуют различные модификации метода RLL. На практике обычно используют метод RLL 2,7: здесь первая цифра обозначает мини­мальное, а вторая максимальное количество бит, которое можно расположить между двумя зонами смены полярностей. Существуют различные таблицы кодировок по методу RLL, применяемые различными фирмами.

 

Головки чтения/записи.

Головки чтения/записи соответствуют рабочим головкам дисковода. Для каждого диска имеется пара таких головок, которые приводятся в движение и позициониру­ются соленоидным приводом или иначе называемым приводом с подвижной катуш­кой, работающим по принципу звуковой катушки динамика (в старых винчестерах применялся шаговый двигатель). Все головки расположены "гребенкой". Позицио­нирование одной головки обязательно вызывает аналогичное перемещение и всех остальных, поэтому когда речь идет о логической структуре винчестера, обычно го­ворят о цилиндрах (Cylinder), а не о дорожках.

При выключении шпиндельного двигателя винчестера, после его полной остановки, головки ложатся на поверхность диска в так называемой зоне парковки. Когда диски начинают вращаться, головки отрываются от рабочей поверхности и "парят" над ней на высоте 0,08—0,5 мкм. Мнение, что внутри корпуса дисковода создается вакуум, является ошибочным, т. к. там, где есть вакуум, конечно же, не может быть воздуш­ных подушек.

Вследствие большой скорости вращения диска и малого расстояния, на котором расположена головка от диска, частицы грязи представляют собой потенциальную угрозу разрушения материала носителя. Для сравнения: человеческий волос пример­но в 25 раз толще, чем воздушная подушка под магнитной головкой. Для головки чтения/записи встреча с такими частицами сравнима с сильным ударом. Такая коллизия может привести к отклонению головки от своей "орбиты", касанию поверхности диска и его повреждению.

К тем же последствиям (повреждение головкой поверхности диска) может привести вибрация или перемещение винчестера во время процесса чтения/записи. Поэтому внимательно следите за тем, чтобы привод был укреплен стабильно и установлен со всем необходимым крепежом.

Емкость винчестера во многом определяется плотностью записи данных на рабочей поверхности. В свою очередь плотность записи зависит не только от качества рабочей поверхности и применения наиболее совершенного способа кодирования данных, а в первую очередь от магнитной головки. Разработчики постоянно работали над увеличением магнитной индукции (магнитного градиента) в рабочем зазоре головки, а также уменьшением размеров и веса, которые определяют расстояние между головкой и дис­ком. Именно эти характеристики головки влияют на размеры зоны смены полярности магнитных доменов рабочей поверхности диска, и как следствие, на плотность записи.

Головки перемешаются над поверхностью диска и устанавливаются на заданный ци­линдр с помощью механизма, называемого приводом головок. В первых моделях винче­стеров в качестве привода головок использовался шаговый двигатель, однако затем его сменил привод с подвижной катушкой. Катушка жестко соединяется с блоком головок и находится в поле постоянного магнита. При подаче на катушку электрического тока она перемещается под воздействием электромагнитных сил. Для точного позиционирования головок используется специальный сигнал обратной связи, в котором содержится ин­формация о взаимном расположении дорожек и головок. Для этой цели на участках ме­жду информационными дорожками диска при изготовлении записываются специальные сервокоды, которые не изменяются в течение всего срока его эксплуатации.

В процессе работы современных винчестеров периодически (примерно 2 раза в час) осуществляется так называемая температурная калибровка (T-cal), при которой все головки поочередно переводятся с нулевого на другой цилиндр для оценки их смеще­ния относительно результатов предыдущей калибровки. Вычисляются необходимые поправки и записываются в память винчестера.

Остановка винчестера для проведения температурной калибровки при воспроизведении на PC видеофильмов или звуковых файлов крайне нежелательна. Поэтому многие фир­мы выпускают специальные A/V-винчестеры, в которых температурная калибровка не на­чинается до окончания текущего сеанса обмена данными.

Для защиты поверхности рабочего слоя диска большинство современных дисков имеют функцию автоматической парковки головок и свипирования (sweep) диска.

Автоматическая парковка головок заключается в том, что при включении и выклю­чении PC головки устанавливаются по мере необходимости на определенный, чаще всего, последний цилиндр, где не содержатся данные. Эта парковочная позиция обозначается Landing Zone или сокращенно L-Zone. В винчестерах ранних выпусков нужно было устанавливать головки в парковочную позицию при помощи специаль­ных утилит.

Если головка долгое время находится над одной и той же дорожкой, то это может привести к преждевременному износу дорожки и возможной потере данных вследст­вие воздушного трения. В этом случае осуществляется свипирование диска, т. е. го­ловка автоматически перемещается на произвольную дорожку к краю диска, где ли­нейная скорость диска максимальна, а следовательно воздушный зазор наибольший.

 

Фильтр

Внутри корпуса винчестера находится воздушная щель, которая снабжена микро­фильтром для того, чтобы защитить материал дисков от пыли. Через эту воздушную щель выравнивается давление воздуха между дисководом и окружающей средой. Другой фильтр удаляет частицы, образующиеся в результате работы механических частей диска (рисунок 4).

Рисунок 4. Циркуляция воздуха в накопителе