Основні компоненти накопичувачів на жорстких дисках

Конструкції голівок чтения/записи

У міру розвитку технології виробництва дискових накопичувачів удосконалювалися і конструкції голівок чтения/записи. Першими голівками були сердечники з обмоткою (електромагніти). За сучасними мірками їх розміри були величезними, а плотность записи — надзвичайно низькою. За минулі роки конструкції голівок прошли долгий дорогу розвитку від перших голівок з феритовими сердечниками до сучасних гигантских магніторезистивних моделей.

Механізми приводу голівок

Мабуть, ще важливішою деталлю накопичувача, чим самі голівки, є механізм, який встановлює їх в потрібне положення і називається приводом голівок. Саме з його допомогою голівки переміщаються від центру до країв диска і встановлюються на заданий циліндр. Існує багато конструкцій механізмів приводу голівок, але їх можна разделить на двох основних типів:

• з кроковим двигуном;
• з рухливою котушкою.

Тип приводу багато в чому визначає швидкодію і надійність накопичувача, достоверность прочитування даних, його температурну стабільність, чутливість до вибору рабочего положення і вібрацій. Скажемо відразу, що накопичувачі з приводами на основі шаговых двигунів набагато менш надійні, чим пристрої з приводами від рухливих котушок. Привід — найважливіша деталь накопичувача. Приведено двох типів приводу голівок накопичувача на жорстких дисках і показана залежність характеристик пристрою від конкретного типа приводу.

Таблиця 10.3. Залежність характеристик накопичувачів від типа приводу

Характеристика Привід з кроковим двигуном Привід з рухливою котушкою

Час доступу до даних Велике Мале

Стабільність температури Низька (дуже!) Висока

Чутливість до вибору робітника Постійна Відсутній

положення

Автоматична парковка голівок Виконується (не завжди) Виконується

Профілактичне обслуговування Періодичне переформатування Не потрібний

Загальна надійність (відносна) Низька Висока

Приводи з кроковим двигуном зазвичай використовувалися на жорстких дисках ємкістю до 100 Мбайт і менш, які створювалися в 1980-х і на початку 1990-х років. У всіх накопичувачах, що мають вищу ємкість, зазвичай використовуються приводи з рухливою котушкою.

У накопичувачах на гнучких дисках для переміщення голівок використовується привід з шаговым двигуном. Його параметрів (у тому числі і точність) виявляється цілком достатньо для дисководів цього типа, оскільки щільність доріжок запису на гнучких дисках значно нижча (135 доріжок на дюйм), ніж в накопичувачах на жорстких дисках (більше 5 000 доріжок на дюйм). У більшості накопичувачів, що випускаються сьогодні, встановлюються приводи з подвижными котушками.

Привід з кроковим двигуном

Кроковий двигун — це електродвигун, ротор якого може обертатися лише ступінчасто, тобто на строго певний кут. Якщо покрутити його вал уручну, то можна почути неголосні клацання (або тріск при швидкому обертанні), які виникають всякий раз, коли ротор проходит чергове фіксоване положення.

Крокові двигуни можуть встановлюватися лише у фіксованих положеннях. Размери цих двигунів невеликі (порядка декілька сантиметрів), а форма може бути разной — прямокутною, циліндровою і так далі Кроковий двигун встановлюється поза блоком HDA, але його вал проходить всередину через отвір з герметизуючою прокладкою. Зазвичай двигун розташовується в одного з кутів корпусу накопичувача і його можна легко взнати.

Одна з найсерйозніших проблем механізму з кроковим двигуном — нестабільність температуры. При нагріві і охолоджуванні диски розширюються і стискуються, внаслідок чого дорожки зміщуються відносно своїх колишніх положень. Оскільки механізм приводу головок не дозволяє зрушити їх на відстань, меншу одного кроку (перехід на одну доріжку), компенсувати погрішності температур неможливо. Голівки переміщаються відповідно до поданої на кроковий двигун кількості імпульсів.

Привод с шаговым двигателем демонстрируется на рис. 10.8.

Привод с подвижной катушкой

Такий привід використовується практично у всіх сучасних накопичувачах. На відміну від систем з кроковими двигунами, в яких переміщення голівок здійснюється усліпу, привід з рухливою котушкою використовує сигнал зворотного зв'язку, аби можна було точно визначити положення голівок відносно доріжок і скоректувати їх в разі необходимости. Така система забезпечує вищі швидкодія, точність і надійність, чим традиційний привід з кроковим двигуном.

Привід з рухливою котушкою працює за принципом електромагнетизму. По конструкции він нагадує звичайний гучномовець. Як відомо, в гучномовці рухлива котушка, сполучена з дифузором, може переміщатися в зазорі постійного магніта. При протіканні через котушку електричного струму вона зміщується разом з дифузором относительно постійного магніта. Якщо струм в котушці періодично змінюється (у соответствии із звуковим електричним сигналом), коливання дифузора порождают, що виникають при цьому, сприйманий людиною звук. У типовій конструкції приводу рухлива

котушка жорстко з'єднується з блоком голівок і розміщується в полі постійного магніта. Котушка і магніт ніяк не зв'язані між собою; переміщення котушки здійснюється лише під впливом електромагнітних сил. При появі в котушці електричного струму вона так само, як і у гучномовці, зміщується відносно жорстко закріпленого постоянного магніта, пересуваючи при цьому блок голівки. Подібній механізм володіє высоким швидкодією і виявляється менш галасливим, чим привід з кроковим двигуном.На відміну від приводу з кроковим двигуном, в прибудовах з рухливою котушкою немає заранее зафіксованих положень. Замість цього в них використовується спеціальна система наведення (позиціювання), яка точно підводить голівки до потрібного циліндра (тому привід з рухливою котушкою може плавно переміщати голівки в будь-які положения). Ця система називається сервоприводом і відрізняється від раніше розглянутою тим, що для точного наведення (позиціювання) голівок використовується сигнал зворотного зв'язку, несущий інформацію про реальне взаємне розташування доріжок і голівок. Цю систему часто називають системою із зворотним зв'язком (або з автоматичним регулюванням).

Колівання температур не позначаються на точності роботи приводу з рухливою катушкой і зворотним зв'язком. При стискуванні і розширенні дисків всі зміни їх розмірів отслеживаются сервоприводом і положення голівок (не будучи зумовленими) корректируются належним чином. Для пошуку конкретної доріжки використовується заздалегідь записана на диску допоміжна інформація (сервокод), і у процесі роботи завжди визначається реальне положення циліндра на диску з врахуванням всіх відхилень температур. Оськільки сервокод прочитується безперервно, в процесі нагріву накопичувача і розширення дисків, наприклад, голівки відстежують доріжку і проблем з прочитуванням даних не виникає. Тому привід з рухливою котушкою і зворотним зв'язком часто називають системою слежения за доріжками.

Механізмі приводу голівок з рухливою котушкою бувають двох типів:

• лінійний;
• поворотний.

Ці типи відрізняються лише фізичним розташуванням магнітів і котушок

Лінійній привід

Лінійній приві) переміщає голівки по прямій, строго уздовж лінії радіусу диска. Котушки розташовуються в зазорах постійних магнітів. Головешці достоїнство линейного приводу полягає в тому, що при його використанні не виникають азимутні погрешности, характерні для поворотного приводу. (Під азимутом розуміється кут між плоскостью робочого зазору голівки і напрямом доріжки запису.) При переміщенні з одного циліндра на іншої голівки не обертаються і їх азимут не змінюєтьсяПроте лінійний привід має істотний недолік: його конструкція дуже масивна. Абі підвищити продуктивність накопичувача, потрібно понизити масу приводу і самих голівок. Чим легше механізм, тим з великими прискореннями він може переміщатися з одного циліндра на іншій. Лінійні наводь набагато важче поворотних, тому в современных накопичувачах смороду не використовуються.

Поворотній привід (див. малий. 10.7) працює за тим же принципом, що і лінійний, але в нім до рухливої котушки кріпляться кінці важелів голівок. При русі котушки относительно постійного магніта важелі переміщення голівок обертаються, пересуваючи головки до осі або до країв дисків. Завдяки невеликій масі така конструкція може двигаться з великими прискореннями, що дозволяє істотно скоротити година доступу до данным. Швідкому переміщенню голівок сприяє і тій факт, що плечі важелів робляться різними: то, на якому змонтовані голівки, має велику довжину.

До недоліків цього приводу слід віднести ті, що голівки при переміщенні від зовнішніх циліндрів до внутрішніх обертаються і кут між площиною магнітного зазору голівки і напрямом доріжки змінюється. Саме тому ширина робочої зони диска (зони, в якій розташовуються доріжки) виявляється частенько обмеженою (для того, щоб неизбежно виникаючі азимутні погрішності залишалися в допустимих межах). В настоящее година поворотний привід використовується майже у всіх накопичувачах з рухливою котушкою

Сервопривод

Для управління приводами з рухливою котушкою в різний годину використовувалися три способи побудови петлі зворотного зв'язку:

• з допоміжним "клином";
• зі вбудованими кодами;
• із спеціалізованим диском.
• Сморід розрізняються технічною реалізацією, але, по суті, призначені для досягнення однієї і тієї ж мети: забезпечувати постійне коректування положення голівок і їх наведение (позиціювання) на відповідний циліндр. Основні відмінності між ними зводяться до того, на яких ділянках поверхонь дисків записуються сервокоды.

При всіх способах побудови петлі зворотного зв'язку для її роботи необхідна специальная інформація (сервокоды), яка записується на диск при його виготовленні. Зазвичай вона записується в так званому коді Гріючи. У цій системі кодування при переході від одного числа до наступного або попереднього змінюється всього один двійковий розряд. При такому підході інформація прочитується і обробляється набагато швидшим, ніж при звичайному двійковому кодуванні, і визначення місця розташування голівки відбувається практически без затримки. Сервокоди записуються на диск при збірці накопичувача і не изменяются протягом всього терміну його експлуатації.

Запис сервокодов виконується на спеціальному пристрої, в якому голівки последовательно переміщаються на строго певні позиції, і в цих положеннях на диски записываются згадані вище коди. Для точної установки голівок в таких пристроях используется лазерний приціл, а відстані визначаються методом інтерференції, тобто з точностью до доль хвилі лазерного випромінювання. Оскільки переміщення голівок в такому пристрої здійснюється механічно (без участі власного приводу накопичувача), всі роботи проводяться в чистому приміщенні або з відкритою кришкою блоку HDA, або через спеціальні отвори, які після закінчення запису сервокодов заклеюються герметизирующей стрічкою. Ви можете знайти ці заклеєні отвори на блоці HDA, причому на стрічці обов'язково буде написано, що, відірвавши її, ви втратите право на гарантійне обслуговування.

Пристрої для запису сервокодов коштують близько 50 тис. доларів і часто призначаються для якої-небудь конкретної моделі накопичувача. Деякі компанії, що займаються ремонтом накопичувачів, мають в своєму розпорядженні такі пристрої, тобто можуть виконати перезапис сервокодов при пошкодженні накопичувача. Якщо ж в ремонтній компанії немає пристрою для записи сервокодов, то несправний накопичувач відсилається виготівникові.

На щастя, при звичайних операціях прочитування і запису видалити сервокоды неможливо. Цього не можна зробити навіть при форматуванні низького рівня. Інколи можна почути страшні історії про те, як в накопичувачах IDE сервокоды стиралися при неправильному форматуванні низького рівня. Звичайно, погано відформатувавши диск, ви можете на порядок погіршити його параметри, але сервокоды надійно захищені і видалити їх неможливо.

Оскільки привід з рухливою котушкою відстежує реальне положення доріжок, помилки позиціювання, що виникають з часом в накопичувачах з кроковим двигуном, в даних пристроях відсутні. На їх роботі не позначається також розширення і стискування дисків, що відбувається унаслідок коливань температур. У багатьох сучасних накопителях з приводом від рухливої котушки в процесі роботи через певні проміжки часу виконується температурне калібрування. Ця процедура полягає в тому, що всі голівки по черзі перекладаються з нульового на якій-небудь інший циліндр. При цьому з помощью вбудованої схеми перевіряється, наскільки змістилася задана доріжка относительно свого положення в попередньому сеансі калібрування, і обчислюються необхідні поправки, які заносяться в оперативний пристрій, що запам'ятовує, в самому накопичувачі. Впоследствії ця інформація використовується при кожному переміщенні голівок, дозволяючи устанавливать їх з максимальною точністю.

У більшості накопичувачів температурне калібрування виконується через кожних 5 мін протягом перший півгодини після включення живлення, а потім через кожних 25 мин. Некоториє користувачі вважають, що сталася помилка при прочитуванні даних, але на самому деле просто підійшов час чергового калібрування. Відмітимо, що ця процедура виконується в більшості сучасних інтелектуальних накопичувачів (IDE і SCSI), що зрештою дозволяє підводити голівки до доріжок з максимально можливою точністю.

Проте у міру поширення мультимедійних програм подібні перерви в работе накопичувачів стають перешкодою. Річ у тому, що при виконанні калібрування прекращаются всі обміни даними з накопичувачем і, наприклад, відтворення звукових або видеофрагментов припиняється. Тому виробники таких накопичувачів почали випуск їх спеціальних A/V-модификаций (Audio Visual — A/V), в яких початок чергового температурной калібрування затримується до тих пір, поки не закінчиться поточний сеанс обміну даними. Більшість нових моделей IDE- і SCSI-устройств відносяться до цього типа, тобто відтворення звукових і відеофрагментів не уривається процедурами калібрування. Накопичувачі AT А, що підтримують функцію A/V, також використовуються в комп'ютерних телевізійних приставках, вживаних для цифрового запису. До приставок такого роду відносяться добре відомі пристрої TiVo і Replay TV.

Слід зазначити, що більшість пристроїв, які здійснюють автоматичне температурне калібрування, виконують також свипирование диска {sweep). Річ у тому, що, хоча голівки не стосуються носія, вони розташовуються настільки близько до нього, що начинает позначатися повітряне тертя. Не дивлячись на порівняно малу величину, воно все ж може привести до передчасного зносу поверхні диска в тому випадку, якщо голівка постійно (або майже постійно) знаходитиметься над однією і тією ж доріжкою. Аби этого не сталося, виконується наступна процедура. Якщо голівка дуже довго залишається нерухомою (тобто операції прочитування і запису не виконуються), то вона автоматично переміщається на випадково вибрану доріжку, розташовану ближче до країв диска, тобто в ту область, де лінійна швидкість диска максимальна, а отже, повітряний просвіт між його поверхнею і голівкою має найбільшу величину. Якщо після перекладу головки диск знову виявиться "в просте" протягом такого ж часу, то голівка переміститься на іншу доріжку і так далі