Конструкція НЖМД

Нагромаджувачі на твердих магнітних дисках — вінчестери

Нагромаджувачі на твердих магнітних дисках (НЖМД), вони ж HDD (Hard Disk Drive), є головними пристроями дискової пам'яті більшості комп'ютерів. По випадковому збігу цифр у назві першої моделі НЖМД охрестили «вінчестером» (просто гра слів), і ця неофіційна назва закріпилася як синонім термінів HDD і НЖМД. Поряд із процесором і оперативною пам'яттю вінчестер визначає потужність комп'ютера. Від нього потрібні великий обсяг збереженої інформації (десятки і сотні гигабайт), малий час доступу (одиниці миллисекунд), велика швидкість передачі даних (десятки — сотні мегабайт у секунду), висока надійність, помірна вартість і ряд інших корисних властивостей. Прогрес в області виробництва вінчестерів стійкий і стрімкий: від 10-мегабайтного диска XT уже прийшли до сотень гигабайт, швидкість передачі даних зросла на три порядки. «Модна» ємність вінчестера ПК рік від року збільшується, при цьому ціна пристрою поступово знижується.

Принципово конструкція НЖМД відповідає мал. 9.3. Вся електромеханічна частина нагромаджувача — пакет дисків зі шпиндельним двигуном і блок голівок із приводом — знаходиться в гермоблоке. Англомовна скорочена назва цієї зборки — HDA (Head Disk Assembly — диск із голівками в зборці). На корпусі гермоблока розміщається і плата електроніки нагромаджувача.

Як привід шпинделя використовують, як правило, трифазні синхронні двигуни. Схема керування двигуном забезпечує пуск і останов шпинделя, а також підтримує необхідну швидкість з досить високою точністю. Шпиндельний двигун є основним споживачем потужності по шині +12 В. Як датчик швидкості обертання в старих вінчестерів використовувалися сигнали індексного датчика, у сучасних вінчестерах для точного керування шпиндельним двигуном служить інформація сервоме-ток. Швидкість обертання довгі роки трималася на рівні 3600 про./мін, тепер же частіше зустрічається швидкість 4500, 5400 і 7200 про./мін. Найшвидші вінчестери мають швидкість 10 000 і навіть 15 000 про./мін. Чим вище швидкість обертання, тим більше швидкість обміну інформацією з диском. Однак високі швидкості обертання породжують проблеми, зв'язані з балансуванням, тепловиділенням, гіроскопічним ефектом і аеродинамікою голівок. Тертя повітря об пластини при швидкості обертання 10 000 про./мін і вище¹ є основною причиною нагрівання вінчестерів, змушуючи піклуватися про їхнє охолодження. Через гіроскопічний ефект не рекомендується переміщення (точніше, зміна орієнтації осі шпинделя) включених нагромаджувачів з обертовим шпинделем. Нагромаджувачі для портативних комп'ютерів розробляються з урахуванням цих ефектів.

Пластини (platter) твердих дисків звичайно виготовляють з алюмінієвих сплавів, іноді з кераміки або скла. Робочий магнітний шар заснований на оксиді заліза або оксиді хрому (більш міцний). Поверхні пластин повинні бути максимально плоскими, інакше висота «польоту» голівок буде відхилятися від номінальної, що погіршує умови запису і зчитування. Кількість пластин у більшості сучасних вінчестерів невеликеі (1-4), занадто великі пакети пластин громіздкі і конструктивно незручні (для блоку голівок). Однак є моделі з десятком пластин у пакеті. Ємність однієї пластини вінчестера формату 3,5" уже досягла 160 Гбайт, і це, схоже, ще не межа можливостей магнітного запису. Правда, темпи росту знизилися: останнє подвоєння обсягу зажадало двох років, хоча раніш обсяг подвоювався щорічно. Не знижуючи ємності, діаметр пластин зменшують і до 3" — цим підвищується швидкодія позиционирования і знижується споживана потужність.

Традиційно для запису і зчитування інформації використовуються магнітні голівки, що представляють собою мініатюрні котушки індуктивності, намотані на магнітному сердечнику з зазором. Вимоги до оптимального кін-

¹ Лінійна швидкість головкн щодо поверхні у вінчестерів на 7200 про/хв досягає 140 км/ч'

струкции голівок у процесів запису і зчитування розрізняються, так що універсальна голівка являє собою некоторий компроміс. Перші індуктивні голівки містили дротові обмотки, них перемінили голівки, виконані по тонкопленочной (Think Film, TF) технології.

Для магнітних голівок досить критична відстань від голівки до поверхні магнітного шару носія. Безпосередній контакт голівки з поверхнею допустимо лише при малих швидкостях руху носія (як у НГМД). Голівки вінчестерів підтримуються на мікроскопічній відстані від робочої поверхні аеродинамічною піднімальною силою. Висота «польоту» голівки повинні видерживаться досить строго, інакше магнітні поля голівок будуть «промахуватися» мимо робітника шару. Висота визначається тим положенням, при якому піднімальна сила, обумовлена швидкістю обертання, формою «крила» голівки і щільністю повітря, зрівноважить тиск пружини, що притискає голівку.

У сучасних нагромаджувачах для зчитування часто застосовують магніторезистивні голівки (Magneto-Resistance Head, MRH), засновані на ефекті анізотропії опору напівпровідників у магнітному полі (Anisotropic Magneto-Resistance, AMR). У них через магниторезистивний датчик пропускають вимірювальний струм, і величина спадання напруги пропорційна намагніченості ділянки, що знаходиться під голівкою, магнітної поверхні. Сигнал з магниторезистивной голівки повторює форму записаного сигналу, а не є його похідній (як в індуктивної голівки). Магниторезистивная голівка зчитування добре «уживается» з індуктивною голівкою запису, що дозволяє досягати високої щільності запису інформації на магнітний носій. Однак за технологією виготовлення вона складніше тонкопленочной індуктивної, оскільки в ній сполучаться різнорідні компоненти. Від кожної комбінованої голівки відходить чотири провідники: одна пара від електромагнітної голівки запису (опір постійному струмові 8-10 Ом), друга — від магниторезистивной голівки читання (близько 30 Ом). Голівки AMR дозволяють зчитувати стан намагніченості дуже маленької плями поверхні, з ними досягається щільність запису до 3 Гбит на квадратний дюйм. Зміна опору при зчитуванні складає близько 3 %. Наступний крок — застосування голівок з надвисоким магниторезистивним ефектом (Giant Magneto-Resistive, GMR). Вони дозволяють домагатися щільності порядку 10 Гбит на квадратний дюйм, а зміна опору досягає 7-8 %. Чим більше відстань, голівки зчитування до поверхні, тим слабкіше поле і тем більше повинне бути пляма магнітної поверхні, з яким голівка може вважати інформацію, зберігаючи прийнятний рівень помилок (при одній і тій же чутливості). Правда, при цьому підвищується надійність (знижується імовірність ушкодження поверхні голівкою). Завдяки високій чутливості і вузькій спрямованості голівки GMR дозволяють збільшити «висоту польоту» без росту імовірності помилок зчитування.

При «падінні» голівки на робочу поверхню, що відбудеться, якщо диск зупиниться, можна зашкодити як голівку, так і поверхня диска. На сучасних дисках чистота обробки поверхні в робочій зоні настільки висока, що якщо голівки ляжуть на нерухому поверхню, то через ефект молекулярного притягання вони просто прилипнуть до неї. Щоб цього не відбувалося, у неробочому положенні голівки паркуются (park) — приділяються в неробочу зону, де припустиме їх «приземлення». Поверхня парковочной зони має підвищену шорсткість, завдяки чому прилипания не відбувається і диск може вільно набрати швидкість до «злету» голівок.

У старих вінчестерах паркування забезпечувалося програмно. Для її виконання в параметрах твердих дисків, збережених у CMOS, був присутній номер циліндра для паркування (Landing Zone, або LZone). Паркування виконувалося запуском утиліти PARK або інших утиліт. У сучасних нагромаджувачах паркування здійснюється автоматично, коли напруга живлення або швидкість обертання шпинделя падають нижче гранично припустимого значення. Для таких нагромаджувачів зазначене в CMOS Setup значення параметра LZone ігнорується. Контролери сучасних дисків до того ж не випускають голівки з зони паркування, поки шпиндель не набере заданих оборотів.

Для позиционирования голівок на необхідний циліндр у старих вінчестерах застосовувалися крокові двигуни з черв'ячною передачею, зубцюватою рейкою або стрічковою передачею. У крокового приводу є маса недоліків: йому властиво великий час пошуку — при довільних звертаннях потрібно «прошагать» у середньому половину загального числа циліндрів; з ним не домогтися високої щільності запису, оскільки підвищення щільності підвищує вимоги до точності позиционирования. Система позиционирования виходить розімкнутої (без зворотного зв'язку), і усі відхилення розмірів (температурні, зв'язані зі старінням і т.п.) приводять до відходу голівок від вихідних доріжок. Правда, пізніше з'явилися вінчестери з кроковим приводом, у яких положення голівки підбудовується на найкраще зчитування службової інформації.

У сучасних нагромаджувачах для голівок застосовують привід з рухливою котушкою (voice coil actuator), що працює за принципом звукової котушки динаміка. Цей тип приводу називають ще соленоїдним. У такому приводі блок голівок зв'язаний з котушкою індуктивності, поміщеної в магнітне поле постійного магніту. При протіканні струму через котушку на неї починає діяти сила, пропорційна силі струму, що викликає переміщення котушки, а отже, і блоку голівок. Привід може бути лінійним або поворотним. У нагромаджувачі з лінійним приводом котушка з блоком голівок переміщається строго по радіусі дисків. Такий привід застосовувався в нагромаджувачах великих машин. У нагромаджувачі з поворотним приводом блок голівок з котушкою розміщений на поворотній рамці (мал. 9.7), і траєкторія голівок відрізняється від радіальної. При цьому азимут голівки щодо треку міняється при переміщенні голівки, і ця азимутальна погрішність небажана для роботи голівок. Проте, з цією неприємністю, відсутньої в лінійного приводу, миряться через відносну простоту виконання, менших габаритів, а отже, і меншої инерционности поворотного приводу. У більшості сучасних нагромаджувачів на твердих дисках застосовується поворотний привід. Керуючи напрямком і силою струму, можна швидко перевести блок голівок у будь-яке положення — довільне, а не по фіксованих кроках. Але в такій системі позиционирования необхідний зворотний зв'язок — інформація про поточне положення голівок, по якій контролер може керувати приводом. Привід, що забезпечує точне позиционирование по сигналі зворотного зв'язку, називається сервоприводом. З погляду теорії автоматичного керування, соленоїдний привід є замкнутою системою. Керування сервоприводом може бути оптимизировано за часом установлення голівок на необхідну позицію: коли відхилення від заданого положення велико, можна подавати більший струм, що викликає більше прискорення блоку голівок. В міру наближення струм зменшується, а для компенсації інерції наприкінці позиционирования струм може і поміняти напрямок (активне гальмування). Така система приводу дозволяє скоротити час доступу до одиниць миллисекунд проти сотень миллисекунд, характерних для крокового приводу. На необхідному циліндрі голівки утримуються системою точного наведення, що стежить. Залишається тільки вирішити питання про джерело сигналу зворотного зв'язку для сервопривода.

Котушка npni

Рис. 9.7. Блок голівок з поворотним приводом

У перших нагромаджувачах з лінійним приводом використовувалися спеціальна зубцювата рейка і магнітний датчик, по сигналі якого відраховувався номер треку. Однак стосовно диска така система приводу все рівно залишалася розімкнутої — привід позиционировал голівки, керуючись власними розуміннями про координати. Замкнути систему керування дозволило розміщення пряме на диску сервометок — допоміжної інформації для «системи наведення». Завдяки сервометкам зміна розмірів диска і приводу під дією температури й інших факторів перестає істотно впливати на точність позиционирования, оскільки сервометки розташовуються поруч з тими ж шуканими треками. Сервометки записуються в розташованих між треками областях при зборці нагромаджувача, коли для позиционирования використовується зовнішній «приціл» спеціального технологічного устаткування. Парні і непарні серводорожки розрізняються, хоча в них маються співпадаючі фрагменти синхронізації. Коли голівка зчитування знаходиться точно посередине між парою сусідніх серводорожек, сигнали, що наводяться від парної і непарної серводорожек, мають однакову амплітуду (фрагменти синхронізації синфазни і дають сумарний сигнал синхронізації сервоме-ток). Якщо голівка відхиляється від треку убік, наприклад, парної серводо-рожки, амплітуда її сигналу виявляється більше, що розпізнається детектором, і по сигналі неузгодженості виробляється токовий вплив на котушку, що прагне повернути голівку на середину, тобто точно на трек. Цим забезпечується гарний сигнал зчитування, у складі якого маються й адресні маркери, що містять номер циліндра. По них контролер визначає, чи туди прийшли голівки, і, якщо необхідно, формує імпульсні сигнали позиционирования. Після них знову вступає в справу система точного наведення по сервометкам, і зрештою пошук успішно завершується. У процесі експлуатації сервометки тільки зчитуються. По місцю розміщення сервометок розрізняють нагромаджувачі з виділеної сервоповерхностью (dedicated servo) і з убудованими сервометками (embedded servo). У першому випадку в пакеті дисків виділяється одна поверхня, використовувана винятково для збереження сервометок, і відповідна їй голівка є сер-воголовкой. Помилка позиционирования в такій системі може виникати внаслідок зміни взаємного положення (перекосу) голівок у блоці. Сер-воголовка для системи, що стежить, подає інформацію практично безупинно (на одному треку можуть бути записані сотні і тисячі сервометок), що підвищує швидкість і поліпшує якість пошуку і спостереження. У нагромаджувачів з виділеної сервоповерхностью, як правило, число «корисних» голівок непарне.

У нагромаджувачах з убудованими сервометками інформація для сервопривода записується на робочих поверхнях між секторами з даними. Вона може розміщатися на початку кожного треку — при цьому на диску з'являється клиноподібна область сервометок. Однак через таке розміщення сервоинформа-ция (сигнал зворотного зв'язку) доступна тільки дискретно з періодичністю в один оборот диска, що при швидкості 3600 про./мін складає 16,6 мс. До точного позиционирования приходиться вичікувати кілька оборотів диска. Більш швидкодіючий варіант — розміщення сервометок перед кожним сектором — дозволяє вийти на заданий трек навіть за частки обороту шпинделя. Перевага убудованих сервометок у тім, що вони забезпечують компенсацію будь-яких змін у геометрії, оскільки система наводить голівки саме по тім треку, до якого виконується доступ. При цьому знижуються вимоги до твердості блоку голівок, що дозволяє його полегшити і знизити инерционность. Однак навіть переключення голівок (без зміни номера циліндра) вимагає деякого часу пошуку — система, що стежить, повинна перешикуватися на сервометки з іншої голівки. Існують нагромаджувачі з гібридною сервосистемой, де крім виділеної сервоповерхности використовуються сервометки, розміщені на робочих поверхнях.

При виконанні операцій запису і форматування сигнал запису на час проходження сервометок повинний обов'язково блокуватися. Якщо через несправність пристрою сервометки на якій-небудь доріжці «накриє» сигнал запису, ця доріжка (а можливо, і сусідні з нею) назавжди стане збійної.

Для нагромаджувачів із соленоїдним приводом проблема автопарковки вирішується легко, оскільки енергії для переміщення поворотного приводу потрібно небагато. У парковочном положенні голівки утримуються магнітною засувкою або механічним фіксатором.

Зовсім очевидно, що в гермоблоке повітря повинне бути чистим — дрібна часточка, що потрапила під голівку, під якою пролітає носія зі швидкістю кілька десятків кілометрів у годину, може подряпати і голівку, і диск. Усупереч назві гермоблок може і не бути герметичним — у ньому мається отвір, закрите фільтром і вирівнювання тиску, що забезпечує, усередині зборки з атмосферним. Крім цього фільтра, називаного барометричним, мається ще і внутрішній рециркуляционний фільтр. Цей фільтр установлюється на шляху потоку повітря, що захоплюється обертовим пакетом дисків. Він уловлює часточки, що можуть вибиватися з поверхні дисків при «зльоті» і «посадці» голівок. Існують, звичайно, і спеціальні нагромаджувачі для роботи в особливих кліматичних умовах. Вони можуть мати герметичний корпус, покликаний витримувати різниця внутрішнього і зовнішнього тисків. У PC, як правило, застосовують нагромаджувачі звичайного виконання.

Крім блоку механіки дисковий нагромаджувач повинний мати і блок електроніки, керуючий приводами шпинделя і голівок, а також обслуговуючі сигнали робочих голівок запису-зчитування. Звичайно в гермоблоке на маленькій платі встановлюють попередні підсилювачі зчитування, комутатори і формирователи сигналів запису. До цієї плати підключаються проводи, що йдуть до голівок, а також кабель, що зв'язує її з контролером. Контролером нагромаджувача називають електронний пристрій, на одній (интерфейсной) стороні якого йде обмін байтами команд, стану і, звичайно ж, записуваної й інформації, що зчитується, а інша його сторона зв'язується з гермо-блоком. У сучасних нагромаджувачах на твердих дисках контролер розташований на платі електроніки, змонтованої разом з гермоблоком. У стародавніх нагромаджувачах на твердих дисках з інтерфейсами ST506/412 і ESDI контролер був зовнішнім і розташовувався на спеціальній карті розширення. Об'єднання контролера з гермоблоком дозволило вирішити багато роблем оптимізації нагромаджувачів, про які мова йтиме далі. Контролер сучасного вінчестера складається з декількох основних блоків:

♦ Керуючий мікроконтролер (однокристальний) забезпечує взаимо­
дія всіх блоків нагромаджувача і зв'язок із зовнішнім інтерфейсом (АТА,
SCSI, USB, 1394, Fibre Channel...). Тут, як правило, використовується 8- або 16-розрядний мікроконтролер загального призначення. Його програмне обес­печение може зберігатися у внутрішньому ПЗУ контролера або в окремій мікросхемі пам'яті (EPROM або флэш). Частина ПО може завантажуватися у внутрішнє ОЗУ, доступне мікроконтролерові, зі службової області диска.

♦ Внутрішнє ОЗУ (буферна пам'ять нагромаджувача) використовується для считивания і запису секторів і локального кэширования. Обсяг внутрішнього ОЗУ може бути від десятків кілобайт до одиниць мегабайт. Цей обсяг у сполученні з ефективністю алгоритмів кэширования помітно впливає на продуктивність вінчестера.

♦ Блок керування шпиндельним двигуном забезпечує запуск і останов
шпинделя по команді від мікроконтролера і підтримує задану ско­
рость обертання по сигналах від датчиків індексу, спеціальних датчиків обертання або/і сервометок. Блок сигналізує про досягнення минимальний швидкості, на якій можна випускати голівки, і номінальної.

♦ Блок керування позиционированием формує імпульси керування з­
леноидом для переходу з циліндра на циліндр по команді микроконтролле­
ра і стежить за положенням голівки на треку по прийнятим сервосигналам.

♦ Комутатор голівок, сполучений із предусилителем зчитування і форми­
рователем струму запису, — мікросхема, змонтована в безпосередній
близькості від голівок (усередині гермоблока). Таке розміщення дозволяє улуч­
шити відношення сигнал/шум при зчитуванні.

♦ Канал читання-запису являє собою ланцюга, що виділяють із сигналу, прийнятого від предусилителя, імпульси синхронізації і даних і форми­рующие сигнали запису. У сучасних вінчестерах у цьому вузлі широко
застосовують сигнальні процесори, що реалізують метод PRML. Раніш тут використовувалися аналогові методи обробки сигналів.

♦ Детектор сервометок виділяє них з потоку сигналів, прийнятих з голо­
вок зчитування.

♦ Контролер НЖМД (Hard Disk Controller, HDC) — спеціалізована
мікросхема, що виконує основні функції, зв'язані з записом і счи­
тиванием даних. Вона декодирует прихожий потік даних, що зчитується, виділяє службові області, знаходить необхідні сектори, перевіряє целост ность даних (по алгоритму CRC або ЕСС), перетворить потік битов у байти і записує них у буферну пам'ять. При записі мікросхема в нужний момент (коли підходить поле даних необхідного сектора) формує потік сигналів, необхідних для кодування інформації, преутворити бай­
ти даних у потік битов і обчислюючи контрольні послідовності. При
форматуванні вона формує замовлену структуру треку.

Розроблювачі вінчестерів прагнуть до скорочення числа мікросхем, застосовуваних у блоці електроніки (це з техніко-економічної точки зору майже завжди вигідно), і розподіл функціональних вузлів по мікросхемах може варіюватися. Так, контролер НЖМД може поєднуватися з керуючим процесором і деякими іншими вузлами в одній спеціалізованої замовлений ИС.

Для кодування даних застосовуються методи MFM, RLL, ARLL. У сучасних нагромаджувачах широко поширена технологія PRML (Partial Response Maximum Likelihood — максимальна правдоподібність при неповному відгуку), що прийшов з області телекомунікацій. У традиційній технології зчитування використовувалися аналогові пікові детектори сигналів відтворення, ці сигнали декодировались схемами зчитування. Однак підвищення щільності збереження даних приводить і до посилення межбитних перешкод, у результаті задача зчитування ускладнюється. У технології PRML при зчитуванні виробляється оцифровка аналогового сигналу з голівки і запис послідовності цих вибірок у буфер. Для оцифровки більше всего підходить сигнал з магниторезистивной голівки, оскільки його форма повторює форму напруженості магнітного поля (а не похідну, як в індуктивних голівках). Наступний етап зчитування припускає цифрову фільтрацію записаного сигналу. Прийняті фрагменти трактуються як групи закодованих битов по максимальній подібності форми відгуку. Сучасна техніка цифрової обробки дозволяє цілком виконувати декодування PRML «на летові», забезпечуючи швидкість зчитування навіть вище, ніж при аналоговому декодуванні RLL.

Дата добавления: 2014-01-04