Конструкція НЖМД

Перший накопичувач на жорстких дисках (Hard Disk Drive, HDD), встановлений в РС, мав ємність 10 Мб, зараз обсяг НЖМД вже досяг значно більших розмірів.

У 1979 році Файніс Коннер і План Шугарт заснували фірму Seagate Technology і організували випуск жорстких 5'' дисків. Шугарт розробив інтерфейс SCSI, використовуваний і зараз.

Вінчестери мають, у порівнянні з дискетами, мають певні переваги:

1. значна ємність (наприклад для зберігання 420Мб необхідно 290 дискет 3,5'');

2. малий час доступу;

3. велика швидкість передачі даних;

4. висока надійність.

Сьогодні випускаються декілька десятків типів дисководів жорстких дисків − HDD {Hard Disk Drives), які називають також вінчестерними дисками чи просто вінчестерами. Однак принципи функціонування більшості дисководів однакові.

Рисунок. 9.1. Основні елементи дисковода жорсткого диску

Вся електромеханічна частина накопичувача − пакет дисків з шпинделевим механізмом та блок головок з приводом − знаходиться в гермоблоці, який називається HDA (Head Disk Assembly − блок головок і дисків). На корпусі гермоблока знаходиться плата електроніки накопичувача.

В якості приводу шпинделя використовується, як правило, трьохфазні синхронні двигуни. Схема керування двигуном забезпечує пуск і зупинку шпинделя, а також підтримує необхідну швидкість з досить високою точністю.

Швидкість обертання довгі роки тримались на рівні 3600 об/хв., тепер найчастіше зустрічаються швидкості 4500, 5400 і 7200 об/хв. Найшвидші вінчестери мають швидкість 10 000 і навіть 15 000 об/хв. Чим вища швидкість обертання, тим більша швидкість обміну інформацією з диском.

Пластини жорстких дисків зазвичай виготовляють із алюмінієвих сплавів, іноді із кераміки або скла. Більшості сучасних вінчестерів мають 1-4 пластини. Робочий магнітний шар заснований на оксиді заліза або оксиді хрому.

Диск має таку саму структуру, що й дискета, але оскільки довжина сектора біля краю диска значно більша, ніж біля центра, на жорсткі диски записують біти по зонах - ZBR (Zoned Bit Recording), причому для кожної зони задається своя кількість секторів на доріжку, що дозволяє ефективніше використовувати поверхню диска. у дисководах на жорстких дисках для кожної сторони диска передбачено свою головку зчитування-записування. Усі головки змонтовано на загальному рухомому каркасі і тому вони переміщуються одночасно.

Для запису і зчитування інформації використовують магнітні головки, які являють собою мініатюрні котушки індуктивності. В сучасних накопичувачах використовують магніторезистивні головки, які засновані на принципі протистояння напівпровідників у магнітному полі.

Коли дисковод вимкнено, головки торкаються дисків. Під час розкручування дисків зростає аеродинамічний тиск на головки, внаслідок чого вони відриваються від робочих поверхонь (на відміну від дисководів FDD, у яких головки торкаються поверхні диска).

При попаданні голівки на робочу поверхню, при зупинці диску може призвести до пошкодження як і голівки так і поверхні диска. Якщо голівка ляже на пошкоджену поверхню то вона просто прилипне до неї. Щоб це не трапилось, в неробочому положенні голівки паркуються − тобто відводяться в неробочу зону. Поверхня паркувальної зони мають вищу жорсткість, тому голівки не прилипають.

Сучасні дисководи на жорстких дисках мають функцію автоматичного паркування магнітних головок, тобто, коли вимикають комп'ютер, головки встановлюються на визначений, найчастіше останній, циліндр. Ця паркувальна позиція позначається в CMOS Setup як Landing Zone (L-Zone).

Спочатку для дисководів жорстких дисків, як і для дисководів гнучких дисків, використовували крокові двигуни. Для сучасних дисководів застосовують більш швидкодіючі механізми з рухомою котушкою.

Рухома котушка жорстко з'єднана з блоком головок і розміщена в полі постійного магніту. Електричний імпульс, надходячи на котушку, зумовлює її зсув відносно жорстко закріпленого постійного магніту, у результаті чого блок головок переміщується.

Особливістю приводів з рухомою котушкою є спеціальна електронна система наведення голівок, названа сервоприводом. В основі цієї системи лежить використання сигналу зворотного зв'язку, що несе інформацію про реальне взаємне розміщення доріжок і головок.

Для цього на диск (під час його виготовлення) записується спеціальна технічна інформація − сервомітка, допоміжна інформація для системи наведення голівок.

Вінчестер також повинен мати блок електроніки, який керує приводом шпинделя і голівок та обслуговуючий сигнал робочих голівок запису-зчитування.

Зазвичай в гермоблоці на маленькій платі підключаються проводи, які йдуть до голівок, а також кабеля, які зв’язують її з контролером.

Контролером накопичувача є електронний пристрій, на одній (інтерфейсній) стороні якого іде обмін байтами команд, а друга сторона − зв’язана з гермоблоком.

Контролер сучасних вінчестерів складається з декількох основних блоків:

1. керуючий мікроконтролер − забезпечує взаємодію всіх блоків накопичувача і зв'язок з зовнішнім інтерфейсом;

2. буферна пам'ять накопичувача − використовується для зчитування і запису секторів і локального кешування.

3. блок управління шпиндельним двигуном − забезпечує запуск і зупинку шпинделя по команді від мікроконтролера і підтримує задану швидкість обертання по сигналам датчиків.

4. блок управлінні позиціонуванням − формує імпульси приводу з рухомою котушкою для переходу з циліндра на циліндр по команді мікроконтролера і слідкує за положенням голівки на треці по прийнятим сервосигналам.

5. комутатор головок суміщений з перепідсилювачем зчитування і формулятором струму запису − мікросхема, змонтована всередині гермоблока біля голівок та дозволяє покращити відношення сигнал/шум при зчитуванні.

6. канал зчитування запису − являє собою ланцюги, який виділяється із сигналу, прийнятого від передпідсилювача та імпульси синхронізації даних і формуючих сигналів запису.

7. детектор сервоміток − виділяє їх із потоку сигналів, які приймаються з головок зчитування.

8. контролер НЖМД − спеціалізована мікросхема, яка виконує основні функції пов’язані із записом і зчитування даних.

2. Характеристика основних параметрів вінчестера

Спочатку розглянемо загальні параметри диску:

1. форматуюча ємність − являє собою об’єм зберігаючої корисної інформації, тобто суму полів даних всіх доступних секторів. Неформатуюча ємність − являє собою максимальну кількість бітів, записуваних на всіх треках диску, включаючи службову інформацію;

2. швидкість обертання шпинделя − вимірюється в оборотах за хвилину;

3. інтерфейс − визначають способи підключення накопичувачів;

4. об’єм буферної пам’яті та можливостікешування (читання, запис, багато сегментність, адаптивність).

Параметри внутрішньої організації:

1. Кількість фізичних дисків або робочих поверхонь.

2. Кількість фізичних голівок зчитуваня-запису.

3. Фізична кількість циліндрів (десятки тисяч).

4. Розташування сервоміток (вони можуть бути на окремо виділеній поверхні, вбудовані в робочі поверхні або мати гібридні варіанти розташування).

5. Метод кодування і декодування даних.

Параметри зовнішньої (логічної) геометрії для пристроїв АТА:

1. Підтримка режиму лінійної адресації.

2. Підтримка трансляції.

3. Кількість циліндрів, голівок і секторів на трек.

Швидкодія та продуктивність вінчестера характеризуються такими параметрами:

1. час переходу на сусідній трек (вимірюється в мілісекундах від 0,5-2мс);

2. середній час пошуку − усереднений час, необхідний для встановлення голівок на випадково задану доріжку(4-10мс);

3. максимальний час пошуку − час, який необхідний для встановлення голівок у потрібну позицію (на трек де буде проходити операції зчитування/запису даних);

4. середній час очікування сектора (3600об./хв. - 8мс, 7200 об./хв. - 4мс, 15000 об./хв. - 2мс);

5. внутрішня швидкість передачі даних між носієм та буферною пам’яттю контролера;

6. зовнішні швидкість передачі даних (залежить від швидкодії електроніки контролера, типу інтерфейсної шини та режиму обміну);

7. тривала продуктивність (визначається при послідовному зчитуванні великої кількості секторів);

Надійність пристрою та достовірність зберігання даних характеризуютьсянаступними параметрами:

1. Час очікування до відказу − час роботи пристрою (100 000год. рахується малим, 200 000 -400 000 год. − нормальним).

2. Гарантійний термін − термін при якому виробник забезпечує ремонт або заміну пристрою (3-5років).

3. Ймовірність несправних помилок читання (для сучасних вінчестерів має порядок одної помилки на 10¹⁴ зчитаних бітів).

4. Ймовірність справних помилок читання (становить порядок одиниць на 10¹¹ зчитаних бітів).

5. Ймовірність помилок пошуку − характеризує якість сервоміток. Для сучасних вінчестерів характерна ймовірність однієї помилки на 10⁸ операцій пошуку.

Кріт заданих параметрів вінчестери характеризуються рівнем акустичного шуму − звукова потужність, яку виділяє вінчестер. Для сучасних вінчестерів рівень акустичного шуму повинен становити до 35дБ при холостому ході.

Фізичні параметри включають: ширину, висоту і глибину корпуса накопичувача та масу.

Умови експлуатації і зберігання визначаються можливі діапазони температури, атмосферного тиску, вологи та сили допустимих ударів.

Основні характеристики дисководів жорстких дисків:

- ємнісні характеристики;

- тип носія;

- тип підключення;

- використовуваний інтерфейс;

- ємність кеш-пам'яті;

- швидкодія;

- надійність;

- форм-фактор.

Жорсткий диск має такі самі ємнісні характеристики, що й гнучкий диск: щільність записування, кількість доріжок на одній стороні (іноді вказується кількість циліндрів), кількість секторів на одній доріжці, кількість байтів у секторі, кількість сторін (визначається кількістю дисків у дисководі), форматовану і неформатовану ємності.

Процес розмічання (форматування) жорстких дисків майже не відрізняється від розмічання дискет. Відмінність полягає в тому, що в результаті форматування дискет інформація повністю знищується, а під час розмічання жорсткого диска перезаписуються тільки мітки формату і знищується таблиця розміщення файлів (якщо не вжити заходів щодо її зберігання).

До форматування жорсткий диск має бути ініційований спеціальною програмою розмічання низького рівня (low level format). Натепер таке розмічання виконує тільки виробник жорстких дисків. Розмічання низького рівня дозволяє виявити дефектні ділянки магнітного диска, що не виявляються контрольним зчитуванням після записування пробного блоку даних. У ході такого розмічання доступ до дефектних ділянок диска закритий, щоб уникнути втрати даних під час експлуатації диска.

Дисководи оснащені змінними і незмінними носіями. Переважна більшість дисководів мають незнімні носії. Але випускаються і дисководи зі знімними носіями. На відміну від гнучких дисків знімні жорсткі диски мають тверду металеву чи склопластикову основу і виконані за технологією, аналогічною технології виробництва жорстких дисків. Однак відстань між магнітним диском і головкою більша, ніж у класичних дисководах жорстких дисків, тому щільність записування і відповідно загальна ємність дисків менші, ніж у звичайних жорстких дисках. Для захисту від ушкоджень пластину жорсткого диска поміщають у міцний пластмасовий конверт.

Пристрій дисковода на змінних жорстких дисках багато в чому ідентичний пристрою дисковода гнучких дисків.

За типом пристрою дисководи жорстких дисків можна поділити на внутрішні та зовнішні. Ще недавно дисководи жорстких дисків (за винятком дисководів зі знімними дисками) були тільки внутрішніми пристроями. Єдиною можливістю перенесення даних за допомогою жорсткого диска було використання мобільного шасі (mobile rack). Шасі вставляли в комп'ютер і підключали до рознімів інтерфейсу й електроживлення. У шасі можна вставляти і виймати переносний контейнер, усередині якого міститься дисковод жорстких дисків, також підключений до рознімів чи інтерфейсу електроживлення контейнера. Під час вставляння контейнера в шасі контакти контейнера та шасі замикаються і дисковод підключається до комп'ютера.

Різновид мобільного шасі - переносний контейнер із жорстким диском, підключеним до комп'ютера по інтерфейсу USB 2.0.

Після появи високошвидкісних інтерфейсів USB 2.0 і FireWire почали випускати зовнішні дисководи жорстких дисків. Ці дисководи можна умовно розділити на:

1. дисководи малої ємності (1...4 Гбайт);

2. невеликі дисководи середньої ємності (30...80 Гбайт)

3. дисководи великої ємності (100...250 Гбайт) розміром, як невелика книга.

Хоча ці дисководи дорожчі від внутрішніх дисководів такої самої ємності, вони незамінні для архівування і перенесення між комп'ютерами з дуже великими обсягами даних.

Для підключення внутрішніх дисководів використовують один з інтерфейсів IDE (ATA), Serial ATA чи SCSI, для підключення зовнішніх дисководів - інтерфейси USB чи FireWire.

Діапазони ємності кеш-пам'яті сучасних дисководів жорстких дисків - від 512 кбайт

до 8 Мбайт.

Швидкодія дисковода жорстких дисків, так само, як і швидкодія дисковода гнучких дисків, залежить від часу доступу до даних і швидкості передавання даних.

Час доступу до даних - це сума часу оброблення команди, що надійшла, часу пошуку потрібної доріжки, часу установлення, тобто часу загасання коливань головки для установлення на потрібну доріжку і часу обертання, тобто часу підведення потрібного сектора під головку.

Як середній час пошуку в паспортних даних дисковода часто вказують часовий інтервал, потрібний для переміщення магнітних головок на відстань, що дорівнює одній третині ширини зони записування даних на диску. Нові високоємнісні дисководи мають середній час пошуку 8,5...12 мс.

Як швидкість передавання даних для дисководів жорстких дисків зазвичай наводять максимальну швидкість, забезпечувану інтерфейсом підключення дисковода до комп'ютера. Реальна швидкість передавання даних залежить, крім інтерфейсу, також від швидкості обертання, щільності записування даних і ємності кеш-пам'яті. Стандарт швидкості обертання дисків сучасних дисководів становить 7200 об/хв, але для деяких дисководів вона досягає 10 000 і навіть 15 000 об/хв.

Щільність записування в дисководах становить 1 Гбайт/см, а реальна швидкість передавання даних для зчитування-записування файлів (за результатами тестів) - 15...80 Мбіт/с.

Для підвищення надійності більшості сучасних дисководів гермоблоки жорстких дисків комплектуються протиударною підвіскою. Між корпусом дисковода і монтажним каркасом поміщають спеціальні прокладки з еластичної гуми (чи полімерного матеріалу), що компенсують (частково чи повністю) удари і вібрацію. Однією з найважливіших характеристик надійності дисковода жорстких дисків є опір удару - максимальне допустиме ударне прискорення (сила удару), за якого дисковод залишається працездатним.

Фізичні розміри жорстких дисків визначають форм-фактором. Тепер майже у всіх настільних комп'ютерах використовують жорсткі диски розміром (форм-фактором) 3,5 дюйма. Такий дисковод має стандартні розміри корпусу 41,6 х 101 х 146 мм. Для портативних комп'ютерів використовують переважно жорсткі диски з форм-фактором 2,5 дюйма (їх розміри 70,1 х 19,05 х 101,9 мм) і форм-факторами менших розмірів (1,7 чи 1 дюйм).

Дата добавления: 2013-12-12