Накопичувачі на твердих магнітних дисках

НГМД 3,5”, 2 – НТМД.

Накопичувачі на твердих магнітних дисках (НТМД, HDD - Hard Disk Drives) зараз всюди відомі як вінчестери. Загалом їх принцип функціонування аналогічний НГМД. Однак, вони мають незмінювані тверді диски, що обертаються в герметичному просторі, що дозволило збільшити точність виготовлення дисків, точність позиціювання голівок, збільшити частоту обертання дисків, і, таким чином, багаторазово збільшити обсяг розташовуваної інформації і швидкість її запису-зчитування.

До основних елементів конструкції типового накопичувача на ТМД відносяться (рис.2.2):

- диски;

- головки запису/зчитування;

- механізм приводу голівок;

- двигун приводу дисків;

- печатна плата зі схемами управління;

- кабелі та роз’єми;

- елементи конфігурації (перемички та перемикачі).

Рисунок 2.2 – Основні вузли накопичувача на ТМД

Таким чином, конструкція НТМД містить ті ж основні блоки, що і FDD, за винятком того, що диск є незмінюваним. Крім того, як правило, на одній осі знаходиться декілька дисків, кожній робочій поверхні відповідає одна голівка запису-читання. Робочі голівки розташовуються на спеціальних важелях, поворот яких приводить до переміщення голівок по радіусі диска, чим здійснюється позиціювання голівок. Позиціювання виробляється за допомогою спеціального приводу. У перших HDD для цього застосовувався кроковий двигун, подібно FDD. Однак при підвищенні числа доріжок кроковий двигун виявився занадто грубим і повільним, і для приводу став застосовуватися привід типу звукова котушка (Voice Coil), назва якого прийшла зі звукотехніки, де звукова котушка служить приводом випромінюючого звук дифузора в гучномовцях. Якщо кроковий двигун може позиціювати голівку тільки у визначених положеннях (кроках), то звукова котушка, шляхом плавної зміни керуючого струму, може встановити голівку в будь-яке місце робочого простору диска, що принципово дозволяє розміщати на диску довільну кількість доріжок. Однак, якщо при використанні крокового двигуна місце кожної доріжки чітко зафіксовано механікою двигуна, із застосуванням звукової котушки не можна вказати його точно. За допомогою електроніки потрібна доріжка шукається шляхом читання інформації про номер доріжки або з робочих поверхонь, або зі спеціально виділеної для цієї мети поверхні.

Відзначимо, що всі голівки приводяться в рух одним приводом, тобто їх важелі закріплені на одній осі. Тому, робочі доріжки, які розташовані одна над іншою, відповідним чином нумеруються, і утворюють групу, яка називається циліндр (Cylinder). Таке логічне групування і нумерація доріжок, і, відповідно, розташування інформації, дозволяє послідовно читати інформацію з доріжок, не витрачаючи часу на переміщення і позиціювання голівок, що значно прискорює швидкість обміну інформацією.

Ще однією відмінністю HDD є те, що голівки не торкаються безпосередньо магнітного шару дисків, а як би «летять» над поверхнею диска, відштовхуються від поверхні тонким шаром повітря, що рухається разом з диском, на «повітряній подушці». У сучасних НТМД товщина цього повітряного шару складає близько 0,1 мкм. Це в багато разів менше товщини людського волоса, і влучення звичайної порошини між голівкою і поверхнею зробить такий же ефект, як улучення величезного кругляка під днище автомобіля, що рухається з великою швидкістю – задир робочої поверхні і часткове руйнування голівки. З цієї причини внутрішність НТМД герметична, і самостійне розбирання практично стопроцентно приведе до його виходу з ладу.

Ще одним наслідком цього є те, що при зупинці двигуна HDD повітряна подушка зникає, і голівки «сідають» на поверхню. Якщо це відбудеться в робочій зоні, то може привести до задиру поверхні і втрати частини робочого простору диска. У зв'язку з цим для «посадки» голівок при вимиканні HDD виділяється «посадкова зона» (Landing Zone), звичайно – це неробоча доріжка, а точніше, група доріжок – циліндр, що слідує за останнім робочим циліндром, найближчий до осі обертання дисків. Ця операція називається паркуванням (Parking) голівок. У HDD із кроковим двигуном перед вимиканням електроживлення необхідно було програмно проводити операцію паркування (звичайно за допомогою команди Park). У сучасних HDD зі звуковою котушкою при вимиканні електроживлення голівки автоматично приділяються в зону паркування (автопарковка).

Незалежно від того, який матеріал використовується в якості основи диска, він покривається тонким шаром речовини, здатного зберігати залишкову намагніченість після впливу зовнішнього магнітного поля. Цей шар називається робочим, чи магнітним, і саме в ньому зберігається записана інформація. Найпоширенішими є два типи робочого шару:

- оксидний;

- тонкоплівковий.

Оксидний шар являє собою полімерне покриття з наповнювачем з окису заліза. Такі диски мають коричневий чи жовтий колір.

Чим вище ємність накопичувача, тим більш тонким і гладким повинний бути робочий шар дисків. Але домогтися якості покриття, необхідного для накопичувачів великої ємності в рамках традиційної технології виявилося неможливим. Оскільки оксидний шар досить м'який, він кришиться при "зіткненнях" з голівками (наприклад, при випадкових струсах накопичувача). Диски з таким робочим шаром використовувалися з 1955 року, і продовжувалися вони так довго завдяки простоті технології і низькій вартості. Однак у сучасних моделях накопичувачів вони цілком поступилися місцем тонкоплівковим дискам.

Тонкоплівковий робочий шар має меншу товщину, він прочніше, і якість його покриття набагато вища. Ця технологія лягла в основу виробництва накопичувачів нового покоління, у яких вдалося істотно зменшити величину зазору між голівками і поверхнями дисків, що дозволило підвищити щільність запису. Спочатку тонкоплівкові диски використовувалися тільки у високоякісних накопичувачах великої ємності, але зараз вони застосовуються практично у всіх накопичувачах. Диски з тонкоплівковим покриттям нагадують сріблясті поверхні дзеркал.

Тонкоплівковий робочий шар отримують гальванізацією або напилюванням.

Тонкоплівковий гальванізований робочий шар одержують шляхом електролізу. Алюмінієву підкладку диска послідовно занурюють у ванни з різними розчинами, в результаті чого вона покривається декількома шарами металевої плівки. Робочим шаром служить шар зі сплаву кобальту товщиною близько 0,08 мкм.

Метод напилювання робочого шару запозичений з напівпровідникової технології. Суть його зводиться до того, що в спеціальних вакуумних камерах речовини і сплави спочатку переводяться в газоподібний стан, а потім осаджуються на підкладку. На алюмінієвий диск спочатку наноситься шар фосфориту нікелю, а потім — магнітний кобальтовий сплав. Його товщина при цьому виявляється рівної всього 0,025-0,05 мкм. Аналогічно поверх магнітного шару на диск наноситься дуже тонке (близько 0,025 мкм) вуглецеве захисне покриття, що має виняткову міцність. Даний процес є дорогим, тому що для його проведення необхідні умови, наближені до повного вакууму.

Поверхня магнітного шару, отриманого методом напилювання, є винятково гладкої, що дозволяє зробити зазор між голівками і поверхнями дисків набагато меншим, ніж це було можливе раніш (0,076 мкм). Чим ближче до поверхні робочого шару розташовується голівка, тим вище щільність розташування зон зміни знака на доріжці запису і, отже, тим вище щільність диска. Крім того, при збільшенні напруженості магнітного поля в міру наближення голівки до магнітного шару збільшується амплітуда сигналу, в результаті співвідношення "сигнал-шум" стає більш сприятливим.

І при гальванічному осадженні, і при напилюванні робочий шар виходить дуже тонким і міцним. Тому ймовірність "виживання" голівок і дисків у випадку їх контакту один з одним на великій швидкості істотно підвищується. Сучасні накопичувачі з дисками, що мають тонкоплівкові робочі шари, практично не виходять з ладу при вібраціях і струсах. Оксидні покриття в цьому відношенні набагато менш надійні.

Ще одна відмінність HDD від FDD – безупинне обертання двигуна, і, отже, дисків, увесь час, поки включене електроживлення. Це зв'язано з величезною різницею часу розгону двигуна до швидкості, наприклад, для більшості перших моделей, приблизно 3600 об/хв (декілька секунд) і часу звертання до потрібної інформації на вінчестері (мілісекунди чи десятки мілісекунд). Тому НТМД повинний бути постійно готовим до роботи, на відміну від FDD, де час розгіну двигуна і пошуку, і читання інформації з дискети приблизно рівні і складають секунди. Відзначимо, що сучасні ПК, з метою збереження ресурсу НТМД і енергозбереження, дозволяють використовувати функцію вимикання двигуна НТМД.

Сучасні вінчестери звичайно мають розмір (Form Factor) 3,5 дюйми, тобто габарити такі ж, як у FDD 3,5’’.

Для HDD були розроблені спеціальні методи запису інформації на магнітному шарі і спеціальні шини і протоколи обміну інформацією з ПК (Interface - інтерфейс - сполучення). В даний час переважна більшість HDD мають інтерфейс IDE (називають також ATA, AT-bus, PC/AT). Зовнішня його відмінність – дворядний роз’єм для плоского 40-жильного кабелю. На один такий кабель паралельно можна підключити два вінчестери. Швидкість передачі даних по інтерфейсу IDE складає 10 Мбайт/сек.

Інтерфейс SCSI має великі можливості з погляду розширення системи, сумісності з різними комп'ютерними платформами, можливої ємності накопичувача, швидкодії й універсальності. Інтерфейс IDE дешевше, він не уступає по швидкодії SCSI, але можливості його розширення, сумісності й універсальності обмежені. Що стосується інших пристроїв у стандарті SCSI, то вони потрібні далеко не кожному власнику персонального комп'ютера. Використання інтерфейсу SCSI дає деякий виграш у продуктивності при роботі в таких багатозадачних операційних системах, як Windows NT. Однак IDE зводить цей виграш на ні, оскільки вартість IDE-пристроїв значно нижча, і підключаються вони безпосередньо до локальної шини процесора.

Поверхні дисків вінчестера не мають механічної розмітки у вигляді індексних отворів, а являють собою суцільне магнітне покриття. Тому перед початком використання вінчестера необхідно нанести на магнітний шар дисків розмітку на доріжки і сектори. Ця операція називається низькорівневим форматуванням, чи розміткою (Low Level Format), і виробляється вона так само, як і звичайний запис інформації – за допомогою голівок запису. У ході низькорівневийого форматування на диск наноситься інформація на початку кожного сектора: номер сектора, голівки, циліндра, контрольні суми байтів для виявлення помилок, відзначаються дефектні сектори.

Інформація про логічні параметри вінчестера записується при його виготовленні на заводі або на спеціальній доріжці, або в ПЗП вінчестера. Це дозволяє ПК автоматично визначати тип вінчестера. Крім того, ця інформація звичайно наноситься на етикетці на корпусі вінчестера.

Дата добавления: 2015-07-02