УЧЕБНЫЙ ЦЕНТР  |  КУРСЫ  |  ЗАЯВКА НА ОБУЧЕНИЕ  |  СТАТЬИ   ГОСТИНИЦА  ДИСТАНЦИОННОЕ ОБУЧЕНИЕ  В НАЧАЛО

  

 
 

Основные компоненты жестких дисков персональных компьютеров

 

1. Узлы жесткого диска

                Современные накопители на жестких магнитных дисках практически все состоят из одних и тех же узлов:

                - диски (c нанесенным на их поверхность оксидным или тонкопленочным магнитным рабочим слоем, количество дисков обычно от 1 до 5 (максимум 11), диаметр дисков 5,25/3,5/2,5/1,8 или 1,0 дюйм);

                - головки чтения/записи (количество 3-10 шт., используются композитные ферритовые головки с металлом в зазоре, тонкопленочные, магниторезистивные, головки GMR изготовленные по технологии высокой магниторезистивности);

                - механизм привода головок (привод с подвижной катушкой, как правило поворотный с сервосистемой слежения, использующей сервоинформацию на вспомогательном клине, на специальном диске, на диске со встроенными кодами или с записью сервоинформации во втором магнитном слое);

                - двигатель привода дисков (шпиндельный двигатель 5400 - 7200 и более оборотов в минуту с автоматической системой регулирования скорости вращения с обратной связью);

- воздушный фильтр (фильтр рециркуляции и барометрический фильтр).

                Печатная плата со схемами управления (плата электроники содержит схемы, управления накопителя и практически почти все схемы выполняющие функции контроллера жесткого диска), кабели и разъемы (интерфейсный разъем, разъем электропитания, разъем управления шпиндельным двигателем, зажим или разъем заземления) относятся к электронным компонентам жестких дисков.

                Диски, двигатель привода дисков, головки и механизм привода головок обычно размещаются в герметичном корпусе, который называется HDA (Head Disk Assembly - блок головок и дисков). Обычно этот блок рассматривается как единый узел; его почти никогда не вскрывают. Прочие узлы, не входящие в блок HDA, - печатная плата, лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали - являются съемными.

Рис. 1.

2. Диски

                Обычно в накопителе содержится один или несколько магнитных дисков. За прошедшие годы установлен ряд стандартных размеров накопителей, которые определяются в основном размерами дисков. Наиболее распространенные на сегодняшний день устройства с дисками следующих диаметров:

                - 5,25 дюйма (на самом деле - 130 мм, или 5,12 дюйма);

                - 3,5 дюйма (на самом деле - 95 мм, или 3,74 дюйма);

                - 2,5 дюйма;

                - 1,8 дюйма;

                - 1 дюйма (MicroDrive).

                Существуют также накопители с дисками больших размеров, например, 8 дюймов, 14 дюймов и даже больше, но, как правило, эти устройства в персональных компьютерах не используются. Сейчас в настольных и некоторых портативных моделях чаще всего устанавливаются накопители формата 3,5 дюйма, а малогабаритные устройства (формата 2,5 дюйма и меньше) - в портативных системах. Емкость современных жестких дисков достигает 4- 30 Гбайт, а в 2001 году ее предполагается довести до 40 Гбайт.

                В большинстве накопителей устанавливается минимум два диска, хотя в некоторых малых моделях бывает и по одному. Количество дисков ограничивается высотой его корпуса. Самое большое количество дисков в накопителях формата 3,5 дюйма равно 10 - 11.

                Диски производились из алюминиевого сплава, довольно прочного и легкого. Но со временем в качестве основного материала для дисков стало использоваться стекло (композитный материал на основе стекла и керамики, он значительно прочнее, чем каждый из его компонентов в отдельности). Один из таких материалов производится фирмой Dow Coming и называется МетСоr.

                Стеклянные диски отличаются большей прочностью и жесткостью, поэтому их можно сделать в два раза тоньше алюминиевых (а иногда еще тоньше). Кроме того, они менее восприимчивы к перепадам температур, т. е. их размеры при нагреве и охлаждении изменяются весьма незначительно. В настоящее время в некоторых накопителях, выпускаемых такими фирмами, как IBM, Seagate, Toshiba, Technology и Maxtor, уже широко используются стеклянные или стеклокерамические диски. А в ближайшие годы большинство фирм-производителей перейдет на выпуск стеклянных дисков форматов 2,5 и 3,5 дюйма, которые заменят стандартные алюминиевые (в первую очередь, это коснется высокопроизводительных накопителей).

 2.1. Рабочий слой диска

                Все жесткие диски покрываются тонким слоем вещества, способного сохранять остаточную намагниченность после воздействия внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным, и именно в нем сохраняется записанная информация. Самыми распространенными являются два типа рабочего слоя:

                - оксидный;

                - тонкопленочный.

 2.1.1. Оксидный слой

                Оксидный слой представляет собой полимерное покрытие с наполнителем из окиси железа. Технология нанесения оксидного слоя довольно сложная. Сначала на поверхность быстро вращающегося алюминиевого диска разбрызгивается суспензия порошка оксида железа в растворе полимера. За счет действия центробежных сил она равномерно растекается по поверхности диска от его центра к внешнему краю. После полимеризации раствора поверхность шлифуется, и на нее наносится еще один слой чистого полимера, обладающего достаточной прочностью и низким коэффициентом трения. Затем  диск окончательно полируется. Диски такого накопителя коричневого или желтого цвета.

                Рабочий слой дисков должен быть, чем выше емкость накопителя, тем более тонким и гладким. Но добиться качества покрытия, необходимого для накопителей большой емкости, в рамках традиционной технологии оказалось невозможным. В современных моделях накопителей они полностью уступили место тонкопленочным дискам.

 

2.1.2. Тонкопленочный рабочий слой

                Тонкопленочный рабочий слой имеет меньшую толщину, он прочнее, и качество его покрытия гораздо выше. Эта технология легла в основу производства накопителей нового поколения, в которых удалось существенно уменьшить величину зазора между головками и поверхностями дисков, что позволило повысить плотность записи. Сначала тонкопленочные диски использовались только в высококачественных накопителях большой емкости, но сейчас они применяются практически во всех накопителях. Это покрытие гораздо тоньше, чем оксидное. Тонкопленочный рабочий слой называют также гальванизированным или напыленным, поскольку наносить тонкую пленку на поверхность дисков можно по-разному. Тонкопленочный гальванизированный рабочий слой получают путем электролиза. Рабочим слоем служит слой из сплава кобальта толщиной всего около 3 микродюймов (примерно 0,08 мкм).

                Напыление рабочего слоя выполняется по технологии, заимствованной из полупроводниковой технологии. В специальных вакуумных камерах вещества и сплавы вначале переводятся в газообразное состояние, а затем осаждаются на подложку. На алюминиевый диск сначала наносится слой фосфорита никеля, а затем магнитный кобальтовый сплав. Его толщина при этом оказывается равной всего 1-2 микродюйма (0,025-0,05 мкм). Исключительно гладкая поверхность позволяет сделать зазор между головками и поверхностями дисков гораздо меньшим, чем это было возможно раньше (0,076 мкм). Чем ближе к поверхности рабочего слоя располагается головка, тем выше плотность расположения зон смены знака на дорожке записи и плотность диска. Кроме того, при увеличении напряженности магнитного поля по мере приближения головки к магнитному слою увеличивается амплитуда сигнала - соотношение "сигнал-шум" становится  гораздо лучше. Поверх магнитного слоя на диск наносится очень тонкое (порядка 0,025 мкм) углеродное защитное покрытие, обладающее исключительной прочностью. Тонкопленочные покрытия дисков напоминают серебристые поверхности зеркал. Это самый дорогостоящий процесс, для его проведения необходимы условия, близкие к полному вакууму.

                И при гальваническом осаждении, и при напылении рабочий слой получается очень тонким и прочным. Поэтому вероятность "выживания" головок и дисков в случае их удара друг с другом на большой скорости существенно повышается. Современные накопители с дисками, имеющими тонкопленочные рабочие слои, практически не выходят из строя при вибрациях и сотрясениях. Оксидные покрытия в этом отношении гораздо менее надежны. Если бы вы смогли заглянуть внутрь корпуса накопителя, то увидели бы, что cамое тонкое и прочное покрытие получается в процессе напыления, поэтому гальванический метод в последнее время применяется все реже. В любом случае устройства, в которых установлены диски с тонкопленочными покрытиями, обладают большей емкостью, более надежны и могут безотказно служить годами.

 3. Головки чтения-записи

                В накопителях на жестких дисках для каждой из поверхностей диска предусмотрена собственная головка чтения/записи. Все головки смонтированы на общем подвижном каркасе и перемещаются одновременно. Когда накопитель выключен, головки касаются дисков под действием пружин. При раскручивании дисков аэродинамическое давление под головками повышается, и они отрываются от рабочих поверхностей. Когда диск вращается на полной скорости, зазор между ним и головками может составлять 3-20 микродюймов (0,08-0,5 мкм).

                В современных накопителях высота "полета" головок находится в пределах 3-5 микродюймов (0,08-0,12 мкм), и, по всей видимости, она уменьшится в ближайшее время до 0,5 микродюйма (0,01-0,015 мкм). Из-за малого размера этого зазора блок HDA можно вскрывать только в абсолютно чистых помещениях. Любая пылинка, попавшая в зазор, может привести к ошибкам при считывании данных и даже к столкновению головок с дисками на полном ходу, из-за чего может быть повреждена или головка, или диск.

                Сборка блоков HDA выполняется только в чистых помещениях, соответствующих требованиям класса 100 (и более высоким требованиям). Это означает, что в одном кубическом футе воздуха может присутствовать не более 100 пылинок размером до 0,5 мкм (стоящий неподвижно человек каждую минуту выдыхает порядка 500 таких частиц). Блоки HDA можно вскрывать только в таких условиях, и за ремонт накопителей на жестких дисках обычно берутся только те фирмы, которые их производят.

 3.1. Конструкции магнитных головок

чтения-записи

                По мере развития технологии совершенствовались и конструкции головок чтения-записи. За прошедшие годы конструкции головок прошли путь развития от головок с ферритовыми сердечниками до современных типов. Чаще всего используются головки следующих типов:

                - стеклоферритовые (или композитные);

                - с металлом в зазоре (MIG);

- тонкопленочные (TF);

- магниторезистивные (MR) или высокомагниторезистивные (GMR).

 3.1.1. Стеклоферритовые головки

                Классические ферритовые головки делались на основе прессованного феррита (на основе окиси железа). Магнитное поле в зазоре возникает при протекании через обмотку электрического тока. В свою очередь, при изменениях напряженности магнитного поля вблизи зазора в обмотке наводится электродвижущая сила. Таким образом, головка является универсальной, т. е. может использоваться как для записи, так и для считывания. За время своего существования первоначальная (монолитная) конструкция ферритовых головок была значительно усовершенствована. Были разработаны стеклоферритовые (композитные) головки, небольшой ферритовый сердечник которых установлен в керамический корпус. Ширина сердечника и магнитного зазора таких головок гораздо меньше, что позволяет повысить плотность записи и снизить  их чувствительность к внешним магнитным помехам. Стеклоферритовые головки широко использовались в таких накопителях, как ST-225 фирмы Seagate. По мере увеличения емкости накопителей ферритовые головки были полностью вытеснены другими разновидностями. Ферритовые головки непригодны для записи на носители с большой коэрцитивной силой, их частотная характеристика ограничена, а чувствительность низка (плохое соотношение "сигнал-шум").

 3.1.2. Головки с металлом в зазоре

                В головках с металлом в зазоре (Metal-In-Gap - MIG) магнитный зазор, расположенный в задней части стеклоферритового сердечника, заполнен металлом, за счет этого существенно уменьшается склонность материала сердечника к магнитному насыщению, что позволяет повысить магнитную индукцию в рабочем зазоре и, следовательно, выполнить запись на диск с большей плотностью. Кроме того, на поверхности диска формируются намагниченные участки с более четко выраженными границами (уменьшается ширина зон смены знака). Эти головки позволяют использовать носители с большой коэрцитивной силой и тонкопленочным рабочим слоем. Головки имеют меньшую массу и улучшенную аэродинамическую форму. Такие головки могут "летать" ближе к поверхности носителя.

                Существуют односторонняя и двусторонняя головка с металлом в зазоре (т.е. с одним и с двумя металлизированными зазорами). В односторонних головках прослойка из магнитного сплава расположена только в заднем (нерабочем) зазоре, а в двусторонних -  в обоих. Слой металла наносится методом вакуумного напыления. Двусторонние головки лучше односторонних. Индукция насыщения магнитного сплава примерно вдвое больше, чем у феррита, что позволяет осуществлять запись на рабочие слои с большой коэрцитивной силой, которые используются в накопителях большой емкости.

                Благодаря своим преимуществам головки с металлом в зазоре полностью заменили традиционные стеклоферритовые головки в высококачественных накопителях. Но и их вытеснили тонкопленочные головки. 

3.1.3. Тонкопленочные головки

                Тонкопленочные (Thin Film - TF) головки производятся путем фотолитографии по той же технологии, что и интегральные схемы. На одной подложке "печатают" сразу несколько тысяч головок, которые получаются в результате миниатюрными и очень легкими. Рабочий зазор в тонкопленочных головках можно сделать очень узким, причем его ширина регулируется в процессе  производства    путем  наращивания  дополнительных   слоев

немагнитного алюминиевого сплава. Алюминий полностью заполняет рабочий зазор и хорошо защищает его от повреждений (сколов краев) при случайных контактах с диском. Сердечник делается из сплава железа и никеля, индукция насыщения которого в 3 - 5 раз больше, чем у феррита.

Формируемые тонкопленочными головками участки остаточной намагниченности на поверхности диска имеют четко выраженные границы, что позволяет добиться очень высокой плотности записи. Небольшой вес и малые размеры головок позволяют значительно уменьшить просвет между ними и поверхностями дисков по сравнению с ферритовыми и MIG-головками (0,05 мкм). В результате, повышается остаточная намагниченность участков поверхности носителя и увеличивается амплитуда сигнала. Улучшается соотношение "сигнал-шум" в режиме считывания, что повышает достоверность записи и считывания данных. Благодаря небольшой высоте тонкопленочных головок при тех же размерах корпуса накопителя удается установить большее количество дисков. Усовершенствования технологии производства привели к снижению стоимости тонкопленочных головок, которая стала сопоставимой с ценой ферритовых головок и головок с металлом в зазоре (и к их более широкому распространению). Тонкопленочные головки использовались в большинстве накопителей высокой емкости, их конструкция и характеристики постоянно улучшались, но они не могут серьезно конкурировать с магниторезистивными головками.

Рис. 2

 

3.1.4. Магниторезистивные головки

                Магниторезистивные (Magneto-Resistive - MR) головки разработаны фирмой IBM сравнительно недавно, и их использование позволяет добиться самых высоких значений плотности записи и быстродействия накопителей. В большинстве накопителей формата 3,5 дюйма, емкость которых превышает 1 Гбайт, используются именно такие головки. По мере повышения поверхностной плотности записи сфера применения магниторезистивных головок будет расширяться, и постепенно они совсем вытеснят тонкопленочные головки.

                Работа магниторезистивных головок основывается на том обстоятельстве, что сопротивление проводника незначительно изменяется под воздействием внешнего магнитного поля. При прохождении магниторезистивной головки над участками с разным значением знака остаточной (постоянной) намагниченности (при считывании данных) ее сопротивление оказывается различным. Через головку протекает небольшой постоянный измерительный ток, и при изменении сопротивления изменяется и падение напряжения на ней. Амплитуда выходного сигнала у такой головки оказывается примерно в три раза больше, чем у тонкопленочной. Магниторезистивные головки дороже и сложнее головок других типов, поскольку в их конструкции есть добавочные элементы, а технологический процесс изготовления включает несколько дополнительных этапов. Основные отличия магниторезистивных головок от обычных:

                - к ним должны быть подведены дополнительные провода для подачи измерительного тока на резистивный датчик;

                - в процессе производства используется 4 - 6 дополнительных масок (фотошаблонов);

                - благодаря высокой чувствительности магниторезистивные головки более восприимчивы к внешним магнитным полям, поэтому их приходится тщательно экранировать.

                Записывающая часть магниторезистивной головки представляет собой обычную индуктивную тонкопленочную головку, а считывающая - магниторезистивную. Функции считывания и записи разделены, так как на основе магниторезистивного эффекта можно построить только считывающее устройство. Магниторезистивная головка - это две головки, объединенные в одну конструкцию.

Рис. 3

                Каждая из них может быть спроектирована так, чтобы наилучшим образом выполнять предусмотренную операцию. В магниторезистивной головке два зазора - каждый для своей операции.

                Для улучшения параметров головки в режиме считывания нужно уменьшать ширину зазора (для увеличения разрешающей способности), а при записи зазор должен быть шире, поскольку при этом магнитный поток проникает в рабочий слой на большую глубину, "намагничивая" его по всей толщине. В магниторезистивных головках с двумя зазорами каждый из них может быть сделан оптимальной ширины. Записывающая (тонкопленочная) часть головки формирует на диске более широкие дорожки, чем это необходимо для работы считывающего узла (магниторезистивного). В данном случае считывающая головка "собирает" с соседних дорожек меньше магнитных помех. На сегодняшний день магниторезистивные головки устанавливаются в накопителях большой емкости.

                Технология GMR (Giant Magnetoresistance - высокая магниторезистивность) была впервые использована совсем недавно в двух сериях винчестеров фирмы IBM Deskstar 16GP и 14GXP с интерфейсом UltraATA.

                GMR-эффект был открыт в конце 80-х годов. При проведении исследований обнаружили, что материалы, состоящие из очень тонких слоев разных металлов, могут значительно менять свое магнитное сопротивление (на 50%). Эксперименты проводились в условиях низких температур под воздействием мощного магнитного поля с материалами, созданными в лабораторных условиях, которые трудно было получить в большом количестве при массовом производстве. Позднее в исследовательском центре IBM в Сан-Хосе группа ученых применила для создания таких материалов недорогой процесс напыления, обычный при производстве дисковых накопителей, и добилась успеха. Полезные свойства GMR-материалов проявляется при размещении металла-немагнита между двумя магнитами (см. рис.2). Известно, что последние имеют свойство "подстраиваться" под соседа (одинаковое направление магнитных полей), и силу этого взаимодействия можно регулировать, меняя толщину немагнитной перегородки между ними. В этом случае материал будет обладать низким сопротивлением. Но в определенных условиях магниты начинают вести себя с точностью "до наоборот", меняя направление магнитного поля на противоположное, что обеспечивает высокое общее сопротивление комбинированного материала. Научившись управлять этим эффектом, можно значительно повысить чувствительность головки, более компактно располагать данные на диске (эффективнее использовать поверхность диска) и, следовательно, повысить общую производительность дисковой системы. В настоящий момент применение технологии GMR позволяет довести плотность записи данных до 3,38 Гбайт на каждом диске 3,5-дюймового накопителя.

3.1.4. Ползунок

                Ползунком называется деталь конструкции, благодаря которой головка поддерживается в подвешенном положении на нужном расстоянии от поверхности диска. Сам ползунок при этом тоже не соприкасается с поверхностью носителя. В большинстве случаев эта деталь по форме напоминает катамаран с двумя боковыми "поплавками" и центральной "рулевой рубкой" - магнитной головкой (рис. 3).

                Тенденция к постоянному уменьшению размеров накопителей приводит к тому, что все их составные части, в том числе и ползунки, тоже уменьшаются. Например, в стандартном винчестере его размер равен 0,08х0,063х0,017 дюймов (2х1,6х0,43 мм). В новейших моделях размеры ползунка уменьшаются на 80%.

                Уменьшение размеров ползунка приводит к снижению массы подвижной системы, состоящей из головки, ползунка и рычага перемещения головки, что позволяет перемещать их с большими ускорениями, т. е. значительно уменьшить время перехода с одной дорожки на другую и время доступа к данным. Уменьшают и размеры зоны "парковки" головок, что увеличивает полезную площадь дисков. Благодаря меньшей площади контактной поверхности ползунка уменьшается неизбежный износ поверхности носителя в процессе раскручивания и остановки дисков.

                В новых накопителях с зонной записью линейные плотности записи (вдоль дорожек) одинаковы на всех цилиндрах. В этом случае для нормального считывания и записи величина воздушного просвета между головкой и рабочим слоем диска должна оставаться постоянной. Эту проблему можно решить, придав поверхностям ползунков специальную форму, что и делается в накопителях с зонной записью. В новейших конструкциях ползунков их нижней стороне придается специальная форма, благодаря которой высота "полета" головок над поверхностью диска (величина воздушного просвета) поддерживается примерно одинаковой при работе как на внешних, так и на внутренних цилиндрах. При использовании обычных ползунков просвет между головкой и рабочим слоем диска существенно изменяется при переходе от внешних дорожек к внутренним, и наоборот. Это связано с различиями в линейных скоростях разных участков поверхности диска относительно головок (линейная скорость зависит от радиуса вращения). Чем выше скорость, тем больше высота "полета" головки.  

4. Механизмы привода головок

                Важнейшим узлом накопителя является механизм привода головок, который устанавливает их в нужное положение. С его помощью головки перемещаются от центра диска к его краям и устанавливаются на заданный цилиндр. Все головки смонтированы на общем подвижном каркасе и перемещаются одновременно.

                Конструкция каркаса с головками довольно проста. Каждая головка установлена на конце рычага, закрепленного на пружине и слегка прижимающего ее к диску. Диск как бы зажат между парой головок сверху и снизу.

                На рис. 4 показана стандартная конструкция механизма привода головок с подвижной катушкой. Тип привода с подвижной катушкой во многом определяет быстродействие и надежность накопителя, достоверность считывания данных, его температурную стабильность, чувствительность к выбору рабочего положения и вибрациям. Все современные накопители с приводами на основе подвижных катушек.

Рис. 4

4.1. Привод с подвижной катушкой

                Привод с подвижной катушкой используется практически во всех современных накопителях. В приводе с подвижной катушкой используется сигнал обратной связи, чтобы можно было точно определить положения головок относительно дорожек и скорректировать их в случае необходимости. Такая система позволяет обеспечить более высокое быстродействие, точность и надежность.

                Привод с подвижной катушкой работает по принципу электромагнитного соленоида. В типичной конструкции привода подвижная катушка жестко соединяется с блоком головок и размещается в поле постоянного магнита. Катушка и магнит никак не связаны между собой (нет сил трения), а перемещение катушки осуществляется только под воздействием электромагнитных сил. При появлении в катушке электрического тока она смещается относительно жестко закрепленного постоянного магнита, передвигая при этом блок головки.

                В устройствах с подвижной катушкой нет заранее зафиксированных положений. Вместо этого в них используется специальная система наведения (позиционирования), которая точно подводит головки к нужному цилиндру (поэтому привод с подвижной катушкой может плавно перемещать головки в любые положения). Эта система называется сервоприводом (см. рис. 5), и основное ее преимущество в том, что для точного наведения (позиционирования) головок используется сигнал обратной связи, несущий информацию о реальном взаимном расположении дорожек и головок. Эту систему часто называют системой с обратной связью (или с автоматической регулировкой).

                Колебания температур не сказываются на точности работы привода с подвижной катушкой и обратной связью. При сжатии и расширении дисков все изменения их размеров отслеживаются сервоприводом, и положения головок (не будучи предопределенными) корректируются должным образом. Для поиска конкретной дорожки используется заранее записанная на диске вспомогательная информация (сервокод), и в процессе работы всегда определяется реальное положение цилиндра на диске с учетом всех отклонений температур. Сервокод считывается непрерывно в процессе нагрева накопителя и расширения дисков, головка отслеживает дорожки постоянно, и проблем со считыванием данных не возникает. Привод с подвижной катушкой и обратной связью часто называют системой слежения за дорожками. Механизмы привода головок с подвижной катушкой бывают двух типов (эти типы отличаются только физическим расположением магнитов и катушек):

                                - линейный;

                                - поворотный.

                Система позиционирования сравнивает поступающий от контроллера номер цилиндра,  на который требуется установить головки,  а текущий адрес дорожки считывается с сервоповерхности. В зависимости от разности этих значений контроллер определяет направление перемещения блока головок и вырабатывает сигнал для управления током подвижной катушки, что вызывает ее перемещение в нужном направлении и приводит в движение связанный с ней механизм привода головок. Во время движения блока головок продолжается вычисление разности номера заданного и текущего цилиндров, и пропорционально разности формируется ток в обмотку катушки. При обнаружении необходимой дорожки подается команда на прекращение движения блока головок и он останавливается в окрестностях искомой дорожки. Затем сервосистема осуществляет тонкую настройку позиции так, чтобы перед операциями обмена головки располагались точно над дорожкой, где считываемые сервоголовкой сигналы максимальны.

Рис. 5

4.1.1. Линейный привод

                Линейный привод перемещает головки по прямой линии, строго вдоль линии радиуса диска. Катушки располагаются в зазорах постоянных магнитов. Главное достоинство линейного привода состоит в том, что при его использовании не возникают азимутальные погрешности, характерные для поворотного привода. (Под азимутом понимается угол между плоскостью рабочего зазора головки и направлением дорожки записи.) При перемещении с одного цилиндра на другой головки не поворачиваются, и их азимут не изменяется.

 4.1.2. Поворотный привод

                                В настоящее время поворотный привод используется почти во всех накопителях с подвижной катушкой. Поворотный привод (см. рис. 4) работает по тому же принципу, что и линейный, но в нем к подвижной катушке крепятся концы рычагов головок. При движении катушки относительно постоянного магнита рычаги перемещения головок поворачиваются, передвигая головки к оси или к краям дисков. Благодаря небольшой массе такая конструкция может двигаться с большими ускорениями, что позволяет существенно сократить время доступа к данным. Быстрому перемещению головок способствует и тот факт, что плечи рычагов делаются разными - тот, на котором смонтированы головки, имеет большую длину. К недостаткам этого привода следует отнести то, что головки при перемещении от внешних цилиндров к внутренним поворачиваются и угол между плоскостью магнитного зазора головки и направлением дорожки изменяется. Именно поэтому ширина рабочей зоны диска (зоны, в которой располагаются дорожки) оказывается зачастую ограниченной (для того, чтобы неизбежно возникающие азимутальные погрешности оставались в допустимых пределах).

 4.1.3. Обратная связь

                Для управления приводами с подвижной катушкой в разное время использовались три способа построения петли обратной связи:

                - системы с вспомогательным "клином";

                - системы с встроенными кодами;

                - системы с специализированным диском.

                Способы различаются технической реализацией, но предназначены для достижения одной и той же цели - обеспечивать постоянную корректировку положения головок и их наведение (позиционирование) на соответствующий цилиндр. Основные различия между ними в том, на каких участках поверхностей дисков записываются сервокоды. При всех способах построения петли обратной связи для ее работы необходима специальная информация (сервокоды), которая записывается на диск при его изготовлении. 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 практически без задержки. Сервокоды записываются на диск при сборке накопителя и не изменяются в течение всего срока его эксплуатации.

                Запись сервокодов выполняется на специальном устройстве, в котором головки последовательно перемещаются на строго определенные позиции, и в этих положениях на диски записываются вышеупомянутые коды. Для точной установки головок в таких устройствах используется лазерный прицел, а расстояния определяются интерференционным методом, т. е. с точностью до долей волны лазерного излучения. Поскольку перемещение головок в таком устройстве осуществляется механически (без участия собственного привода накопителя), все работы проводятся в чистом помещении либо с открытой крышкой блока HDA, либо через специальные отверстия, которые по окончании записи сервокодов заклеиваются герметизирующей лентой. Вы можете найти эти заклеенные отверстия на блоке HDA, причем на ленте обязательно будет написано, что, оторвав ее, вы потеряете право на гарантийное обслуживание.

                Фирмы, занимающиеся ремонтом накопителей, располагают такими устройствами, т. е. могут выполнить перезапись сервокодов при повреждении накопителя. Если же в ремонтной фирме нет устройства для записи сервокодов, то неисправный накопитель отсылается фирме-изготовителю.

                При обычных операциях считывания и записи удалить сервокоды невозможно. Этого нельзя сделать даже при низкоуровневом форматировании - сервокоды надежно защищены и удалить их невозможно.

                Во многих современных накопителях с приводом от подвижной катушки в процессе работы через определенные промежутки времени выполняется 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. В последствии эта информация используется при каждом перемещении головок, позволяя устанавливать их 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. Некоторые пользователи полагают, что произошла ошибка при считывании данных, но на самом деле просто подошло время очередной калибровки (эта процедура выполняется в большинстве современных интеллектуальных накопителей IDE и SCSI).

                Однако по мере распространения программ мультимедиа подобные перерывы в работе накопителей становятся помехой. Дело в том, что при выполнении калибровки прекращаются все обмены данными с накопителем, и, например, воспроизведение звуковых или видеофрагментов приостанавливается. Поэтому фирмы, производящие такие накопители, начали выпуск их специальных A/V-модификаций (A/V - Audio Visual), в которых начало очередной температурной калибровки задерживается до тех пор, пока не закончится текущий сеанс обмена данными. Большинство новых моделей IDE- и SCSI-устройств относится к этому типу, т. е. воспроизведение звуковых и видеофрагментов не прерывается процедурами калибровки.

                Большинство устройств, которые делают автоматическую температурную калибровку, выполняют также автоматически свипирование диска (sweep). 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. Если головка слишком долго остается неподвижной (т. е. операции считывания и записи не выполняются), то она автоматически перемещается на случайно выбранную дорожку, расположенную ближе к краям диска, в область, где линейная скорость диска максимальна, а следовательно, воздушный просвет между его поверхностью и головкой имеет наибольшую величину. Временная задержка выбирается относительно небольшой (обычно 10 мин).

 5. Автоматическая парковка головок

                При выключении питания рычаги с головками опускаются на поверхности дисков. Накопители способны выдержать тысячи "взлетов" и "посадок" головок, но желательно, чтобы они происходили на специально предназначенных для этого участках поверхности дисков, на которых не записываются данные. При этих "взлетах" и "посадках" происходит износ (абразия) рабочего слоя, так как из-под головок вылетают частицы рабочего слоя носителя. Если же во время "взлета" или "посадки" произойдет сотрясение накопителя, то вероятность повреждения головок и дисков существенно возрастет.

                Одним из преимуществ привода с подвижной катушкой является автоматическая парковка головок. Когда питание включено, головки позиционируются и удерживаются в рабочем положении за счет взаимодействия магнитных полей подвижной катушки и постоянного магнита. 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. По мере уменьшения частоты вращения дисков головки с характерным потрескиванием "приземляются" именно в этой зоне.

                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.

 6. Воздушные фильтры

                Во всех накопителях на жестких дисках используется два воздушных фильтра:

                - фильтр рециркуляции,

                - барометрический фильтр.

                Фильтры располагаются внутри корпуса накопителя и не подлежат замене в течение всего его срока службы. В старых накопителях происходила постоянная перекачка воздуха снаружи внутрь устройства, и наоборот, сквозь фильтр, который нужно было периодически менять. В современных устройствах от этой идеи отказались.

6.1. Фильтр рециркуляции

                Фильтр рециркуляции в блоке HDA предназначен только для очистки внутренней "атмосферы" от небольших частиц рабочего слоя носителя, которые, несмотря на все предпринимаемые меры, все же осыпаются с дисков при "взлетах" и "посадках" головок, а также от любых других мелких частиц, которые могут попасть внутрь HDA. Поскольку накопители персональных компьютеров герметизированы и в них не происходит перекачки воздуха снаружи, они могут работать даже в условиях сильного загрязнения окружающего воздуха (рис. 6).

6.2. Барометрические фильтры жестких дисков

                Блок HDA герметичен, однако это не совсем так. Внешний воздух проникает внутрь HDA сквозь барометрический фильтр, это необходимо для выравнивания давления изнутри и снаружи блока. Жесткие диски не являются полностью герметичными устройствами, потому фирмы-изготовители указывают для них диапазон высот над уровнем моря, в котором они сохраняют работоспособность (обычно от - 300 до +3000м). Для некоторых моделей максимальная высота подъема ограничена 2000м, поскольку в более разреженном воздухе просвет между головками и поверхностями носителей оказывается недостаточным. По мере изменения атмосферного давления воздух выходит из накопителя или, наоборот, проникает в него сквозь вентиляционное отверстие, чтобы выровнять давление снаружи и внутри устройства. Тем не менее это не приводит к загрязнению "атмосферы" внутри накопителя, так как барометрический фильтр, установленный на этом отверстии, способен задерживать частицы размером более 0,3 мкм, что соответствует стандартам чистоты атмосферы внутри блока HDA. В некоторых устройствах используются более тонкие фильтры, позволяющие задерживать еще более мелкие частицы. Вентиляционные отверстия барометрического фильтра видны на большинстве блоков HDA, сами барометрические фильтры находятся внутри блока.

                Фирма Adstar (дочернее предприятие IBM, занимающееся производством жестких дисков) разработала серию полностью герметичных накопителей (но, конечно, с воздухом внутри) формата 3,5 дюйма. Поскольку воздух в этих устройствах находится под давлением, подобные накопители могут работать на любой высоте над уровнем моря (например, в самолете) и даже в экстремальных условиях - выдерживать сотрясения, колебания температур и т. д. (эти накопители предназначены для военных и промышленных целей).

                Хотя блок HDA плотно закрыт, но не герметичен, что означает, что блок HDA не является воздухонепроницаемым и внутри него содержится воздух. Для выравнивания давления в блоке предусмотрено закрытое фильтром отверстие, через которое воздух может проникать внутрь или наружу.

Барометрический фильтр не препятствует проникновению влаги внутрь блока HDA, поэтому по прошествии некоторого времени влажность воздуха внутри блока будет такой же, как и снаружи. Если влага начнет конденсироваться внутри блока HDA и в это время будет включено питание компьютера, то возникнут серьезные проблемы. В инструкциях по эксплуатации большинства жестких дисков приводятся таблицы или графики их акклиматизации при изменении условий окружающей среды (температуры и влажности). Особенно важно соблюдать эти условия при внесении накопителя с холода в теплое помещение, поскольку в такой ситуации конденсация влаги практически неизбежна. Данное обстоятельство, в первую очередь, должны учитывать владельцы портативных систем с жесткими дисками.

                Если вы принесли устройство из холодного помещения или с улицы, где температура не превышала 10° С, не вскрывайте упаковку до тех пор, пока не будут удовлетворены требования акклиматизации диска. В противном случае из-за конденсации влаги может быть повреждена механическая часть устройства или рабочий слой дисков. Накопитель необходимо выдержать в заводской упаковке в предполагаемых условиях эксплуатации в течение времени, необходимого для акклиматизации.

Рис.6

7. Двигатель привода дисков

                Двигатель, приводящий во вращение диски, часто называют шпиндельным (spindle). Шпиндельный двигатель жестко связан с осью вращения дисков - никакие приводные ремни или шестерни для этого не используются. Двигатель должен быть бесшумным, любые вибрации передаются дискам и могут привести к ошибкам при считывании и записи.

                Частота вращения двигателя выдерживается с высокой точностью. В разных накопителях обычно она колеблется от 3 600 до 7 200 об/мин и выше. Для ее стабилизации используется схема управления двигателем с обратной связью (автоподстройкой), позволяющая добиться требуемой точности. Контроль за частотой вращения двигателя осуществляется автоматически (см. рис. 7). Схема управления шпиндельным двигателем начинает работу по сигналу запуска двигателя от управляющего микрокотроллера накопителя. Она сравнивает частоту поступающую с датчиков обратной связи (датчиков Холла) и выдает в обмотки двигателя токовые воздействия, пропорциональные разности опорной частоты и частоты с датчиков Холла.

                В большинстве накопителей шпиндельный двигатель располагается в нижней части, под блоком HDA. В современных устройствах он встраивается внутрь блока HDA и представляет собой центральную часть блока дисков-носителей. Такая конструкция позволяет, не изменяя размера накопителя по вертикали, увеличить количество дисков в блоке (в "пакете").

 

Рис. 7

                Шпиндельный двигатель, особенно в накопителях большого формата, потребляет от 12-вольтового источника питания довольно значительную мощность. Она возрастает еще в 2-3 раза по сравнению со стационарным значением при разгоне (раскручивании) дисков. Длится такая перегрузка несколько секунд после включения компьютера. Если в компьютере установлено несколько накопителей, то, чтобы не подвергать чрезмерной нагрузке блок питания, можно попытаться организовать их поочередное включение. Задержанный запуск шпиндельного двигателя предусмотрен в большинстве накопителей SCSI и Е-IDE.
 
 

Copyright © 2000-2016гг.   Учебный Центр "Алгоритм"  тел./факс: (8412) 52-23-62, 52-23-47, 21-84-24  E-mail: nto@bk.ru

 

Вверх