Компоненты накопителей на магнитных дисках

Рассказав в общих чертах о работе дисковых накопителей, остановимся подробнее на отдельных деталях накопителей на магнитных дисках.

Пластины (Platter) дисков могут быть гибкими или жесткими. В любом случае их материал не должен сильно изменять свой размер со временем и под действием перепадов температур. Для пластин гибких дисков используют май-лар или лавсан, для жестких — обычно алюминий. На поверхность пластины наносят рабочий магнитный слой, который чаще всего основан на окиси железа. Хранимую информацию представляет состояние намагниченности отдельных участков рабочей поверхности. От качества материала рабочего слоя (коэрцитивной силы, размера зерна) зависит допустимая плотность записи информации. Более высокой плотности хранения информации позволяет добиться применение металлического носителя — Plated Media. Механическая прочность и устойчивость рабочего слоя определяет долговечность носителя.

Традиционно для записи и считывания информации используются магнитные головки, представляющие собой миниатюрные катушки индуктивности, намотанные на магнитном сердечнике с зазором. При записи головка намагничивает участок магнитного слоя, проходящий под рабочим зазором, в направлении, определяемом направлением протекающего тока. При проходе намагниченных участков поверхности около индуктивной головки считывания в момент смены направления намагниченности в ней наводятся импульсы э.д.с., полярность которых определяется знаком смены направления. Таким образом, сигнал считывания в индуктивной головке по форме представляет собой производную от записанного сигнала. Это свойство обязательно учитывается при выборе способа модуляции, о которой речь пойдет ниже. Требования к оптимальной конструкции головок для процессов записи и считывания различаются, так что универсальная головка представляет собой некоторый компромисс. Первые индуктивные головки содержали проволочные обмотки, их сменили головки, выполненные по тонкопленочной технологии TF (Think Film — тонкая пленка). В современных накопителях для считывания все чаще применяют магниторе-зистивные головки, основанные на эффекте анизотропии сопротивления полупроводников в магнитном поле (AMR — anisotropic magnetoresistance). В них через магниторезистивный датчик пропускают измерительный ток, и величина падения напряжения на нем пропорциональна намагниченности находящегося под головкой участка магнитной поверхности. В отличие от индуктивной маг-ниторезистивная головка вырабатывает сигнал не по производной записанного сигнала, а повторяет его форму. Магниторезистивная головка считывания хорошо уживается с индуктивной головкой записи, что позволяет достигать высокой плотности записи информации на магнитный носитель. Однако по технологии изготовления она сложнее тонкопленочной индуктивной, поскольку в ней сочетаются разнородные компоненты.

Скорость вращения дисков у разных накопителей различна. У накопителей на гибких дисках она составляет 300 или 360 об/мин, у распространенных накопителях на жестких дисках — 3600 об/мин. Чем выше скорость вращения, тем больше скорость обмена информацией с диском. У наиболее быстрых дисков скорость достигает 5400 и даже 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 магнитных головок весьма критично расстояние от головки до поверхности магнитного слоя носителя. В накопителях на гибких дисках в нерабочем положении головка поднята над поверхностью диска на несколько миллиметров, а в рабочем прижимается к поверхности диска специальным электромагнитным приводом. Однако непосредственный контакт головки с поверхностью допустим лишь при малых скоростях движения носителя. В накопителях с высокой скоростью вращения головки поддерживаются на микроскопическом расстоянии от рабочей поверхности аэродинамической подъемной силой. «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 винчестеры 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 парковка осуществляется автоматически при снижении напряжения питания или же по снижении скорости вращения шпинделя ниже допустимого значения. 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. Высота «полета» головки должна 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). Конечно же, должна быть и верхняя граница допустимого давления (для подводных аппаратов), но этот параметр для устройств широкого применения не указывают, поскольку с такими условиями сталкиваются редко.

В качестве привода для позиционирования головок на нужный цилиндр в накопителях на гибких дисках и старых винчестерах применяют шаговые двигатели. Эти двигатели под действием серии импульсов, подаваемых на их обмотки, способны поворачивать свой вал на определенный угол. Этот угол может быть только кратен минимальному шагу, определяемому конструкцией двигателя. Вращательное движение вала шагового двигателя преобразуется в поступательное с помощью червячного механизма или металлической ленты, намотанной на вал. Таким образом, поворот вала двигателя на один шаг приводит к перемещению блока головок на один цилиндр. Червячная передача должна быть высококачественной — люфты в ней будут приводить к погрешности позиционирования. Ленточная передача в принципе свободна от люфтов, она обеспечивает более высокую точность и быстродействие позиционирования. Однако под действием изменения температуры и со временем из-за износа положение треков на носителе, задаваемое только шаговым двигателем, будет меняться, и ранее записанная информация может перестать считываться. Требования к точности позиционирования растут с повышением плотности хранения информации (количества цилиндров на диске), а быстродействие позиционирования определяет время доступа, которое, естественно, стремятся уменьшить. С точки зрения теории автоматического управления привод с шаговым двигателем является разомкнутой системой (то есть системами без обратной связи). Такая система не позволяет корректировать ошибки позиционирования, вызванные, например, температурным изменением размеров дисков. Конечно, при всех операциях обмена проверяется адресный маркер цилиндра и в случае его несовпадения делается повторная попытка позиционирования — возврат к нулевому цилиндру и подача требуемого количества шаговых импульсов. Выход на нулевую дорожку определяется по датчику нулевого цилиндра, в качестве которого обычно применяется оптоэлектронная пара с флажком, связанным с блоком головок. Точное положение датчика нулевого цилиндра для несменных дисков не так уж существенно — главное, чтобы оно не менялось после процедуры низкоуровневого форматирования, о которой речь пойдет ниже. Для накопителей со сменными носителями положение нулевого цилиндра существенно — для обеспечения совместимости накопителей у всех устройств его положение должно совпадать. Однако датчик задает положение нулевого цилиндра лишь грубо — он определяет только номер шага привода, на котором головки находятся напротив нулевого цилиндра. Более точно положение можно отрегулировать вращением корпуса двигателя в пределах нескольких градусов (не больше, чем угловой шаг двигателя). В накопителях с шаговым приводом довольно сложно осуществить автоматическую парковку головок, поскольку для этого необходимо сформировать серию импульсов управления шаговым двигателем. В случае внезапного отключения питания для автопарковки должна быть запасена достаточная энергия. Иногда в качестве хранилища энергии используется сам пакет дисков: при отключении питания шпиндельный двигатель начинает работать генератором, обеспечивая питание схемы управления и шагового двигателя на время автопарковки

В современных накопителях применяют привод головок с подвижной катушкой (Voice Coil Actuator), работающий по принципу звуковой катушки динамика. В таком приводе блок головок связан с катушкой индуктивности, помещенной в магнитное поле постоянного магнита. При протекании тока через катушку на нее начинает действовать сила, пропорциональная силе тока, которая вызовет перемещение катушки, а следовательно, и блока головок. Привод может быть линейным или поворотным. В накопителе с линейным приводом катушка с блоком головок перемещается по радиусу дисков. Такой привод применялся в накопителях больших машин. В накопителе с поворотным приводом блок головок с катушкой размещены на поворотной рамке (рис. 6.2), и траектория головок отличается от радиальной. При этом азимут головки относительно трека меняется при перемещении головки, и эта азимутальная погрешность нежелательна для работы головок записи и считывания. Тем не менее с этой неприятностью, отсутствующей в случае линейного привода, мирятся из-за относительной простоты исполнения, меньших габаритов, а следовательно, и меньшей инерционности поворотного привода. В большинстве современных накопителей на жестких дисках применяется поворотный привод. 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.

Рис. 6.2.Поворотный привод головки

В первых накопителях с линейным приводом использовалась специальная зубчатая рейка и магнитный датчик, по сигналу которого отсчитывался номер трека. Однако по отношению к диску такая система привода все равно оставалась разомкнутой — привод позиционировал головки по своим соображениям о координатах. Замкнуть систему управления позволило размещение сервометок — вспомогательной информации для «системы наведения» — прямо на диске. В таком случае изменения размеров диска и привода под действием температуры и других факторов перестает существенно влиять на точность позиционирования, поскольку сервометки располагаются на тех же искомых треках. Сервометки записываются при сборке накопителя, когда для позиционирования используется внешний «прицел» специального технологического оборудования. В процессе эксплуатации сервометки только считываются, а серводорожки построены таким образом, что по считываемым сигналам обеспечивается быстрая и точная идентификация положения головки для поиска и слежение за положением головок относительно найденного трека. По месту размещения серво-меток различают накопители с выделенной сервоповерхностью (Dedicated Servo) и со встроенными сервометками (Embeded Servo). В первом случае в пакете дисков выделяется одна поверхность, используемая исключительно для хранения сервометок, и соответствующая ей головка является сервоголовкой. Ошибка позиционирования в такой системе может возникать вследствие изменения взаимного положения (перекоса) головок в блоке Сервоголовка для следящей системы дает информацию практически непрерывно, что улучшает качество процесса поиска и слежения Верным признаком выделенной сервоповерхности является нечетное количество головок (рабочих), указанное для данного накопителя.

В накопителях со встроенными сервометками информация для сервопривода записывается на рабочих поверхностях между секторами с данными. Она может размещаться в начале каждого трека — при этом на диске появляется клиновидная область сервометок. Недостатком такого размещения является то, что сервоинформация (сигнал обратной связи) доступна дискретно с периодичностью в один оборот диска, который для скорости 3600 об/мин занимает 16,6 мс. До точного позиционирования приходится выжидать нескольких оборотов диска. Более быстродействующий вариант — размещение сервометок перед каждым сектором, что позволяет выйти на заданный трек даже за доли оборота шпинделя. Преимущество встроенных сервометок в том, что он позволяет компенсировать любые изменения геометрии, поскольку система наводит головки именно по тому треку, к которому выполняется доступ. Существуют накопители и с гибридной сервосистемой, где кроме выделенной сервоповерхности используются и сервометки, размещенные на рабочих поверхностях.

Для накопителей с подвижной катушкой проблема автопарковки решается легко: блок головок при обесточивании сервопривода может быть легко установлен в зону парковки с помощью пружины. В старых накопителях с линейным приводом для возврата головок в исходное состояние использовали энергию, запасенную в конденсаторе.

Вся электромеханическая часть накопителя — пакет дисков со шпиндельным двигателем и блок головок с приводом, сокращенно называемая HDA (Head Disk Assembly), заключается в защитный кожух. Совершенно очевидно, что в корпусах накопителей воздух должен быть чистым — мелкая частичка, попавшая под головку, под которой пролетает носитель со скоростью в несколько десятков километров в час, может поцарапать и головку и диск. Обычно кожух не герметичен — в нем имеется отверстие, закрытое фильтром, обеспечивающее выравнивание давления внутри сборки с атмосферным. Кроме этого фильтра, называемого барометрическим, имеется еще и внутренний рециркуляционный фильтр. Этот фильтр устанавливается на пути потока воздуха, увлекаемого вращающимся пакетом дисков. Он улавливает частички, которые могут выбиваться из поверхности дисков при «взлете» и «посадке» головок. Кроме пыли, в корпусе накопителя могут образоваться капельки конденсата влаги. Если накопитель находился на морозе, то в теплом помещении перед включением он должен быть выдержан несколько часов, пока конденсат не испарится с отогревшихся частей. Если запустить не отогревшийся накопитель, последствия для рабочих поверхностей могут быть фатальными, особенно если головки примерзнут к пластинам. Существуют, конечно, и специальные накопители для работы в особых климатических условиях. Они могут иметь герметический корпус, который выдерживает разность внутреннего и наружного давления. В PC, как правило, применяют накопители обычного исполнения.

Кроме механики, дисковый накопитель должен иметь и блок электроники, управляющий приводами шпинделя и головок, а также обслуживающий сигналы рабочих головок записи-считывания. Контроллером накопителя называют электронное устройство, на одной (интерфейсной) стороне которого обмен идет байтами команд, состояния и, конечно же, записываемой и считываемой информации, а другая его сторона связывается с блоком HDA. В современных накопителях на жестких дисках с интерфейсом АТА и SCSI контроллер расположен на плате электроники, смонтированной вместе с блоком HDA. В накопителях на гибких дисках на плате электроники накопителя смонтированы только схемы управления двигателями, усилители-формирователи сигналов записи и считывания, датчика индекса и некоторых других. Контроллер гибких дисков вынесен на специальную плату адаптера или размещается на системной плате.

Дата добавления: 2014-01-06