Внешние запоминающие устройства

Основные компоненты накопителей на жестких дисках

Адаптер накопителей на жестких магнитных дисках

Используются два вида электронных схем: один для управления магнитными головками, двигателем и дисками; и другой для управления данными. Все они размещаются на плате. Типичный адаптер НЖМД выполняет следующие функции по командам ЦП: поддерживает требуемый формат данных, размещаемых на дисках; передает данные в режиме ПДП или программного ввода-вывода; осуществляет поиск и проверку требуемых цилиндров; производит переключение головок; обнаруживает и корректирует ошибки в считанных данных; организует последовательность считываемых секторов в соответствии с коэффициентом чередования; генерирует прерывание. Если адаптер использует RLL-метод кодирования, то требуется специальный накопитель, рассчитанный на данный способ кодирования.

Программы управления микропроцессором записываются в ПЗУ. Адаптер НЖМД имеет собственную локальную оперативную память, которая разделяется на рабочую область для микропроцессора и буфер данных для хранения одного сектора. Регистры ввода-вывода предназначены для ввода-вывода данных, сброса и выбора адаптера, записи состояния и типа накопителя, разрешения ПДП и прерывания. Контроллер ПДП управляет обменом данными между адаптером и НЖМД, между адаптером и ОЗУ ПЭВМ.

Команды ЦП

Основными командами являются команды чтения, записи, форматирования и позиционирования. Для проверки состояния НЖМД и адаптера служат диагностические команды. Командный блок записывается в локальную память адаптера.

Данные с системной шины при записи поступают в регистры ввода-вывода побайтно и преобразуются в вид для записи в секторный буфер. Под управлением контроллера ПДП или программного режима ввода-вывода данные поступают на сериализатор, преобразующий байты в последовательный код. Кодер кодирует данные по методу МЧМ. Одновременно с преобразованием данные поступают на блок контроля и коррекции. Затем данные и контрольные байты записываются в НЖМД.

При чтении данных сепаратор отделяет синхроимпульсы, данные декодируются и преобразуются десериализатором в параллельный код. Под управлением контроллера ПДП байты данных помещаются в ОЗУ и через регистры ввода-вывода выдаются на системную шину. Адаптер выдает ЦП параметры выполнения команды.

Недостатком такой структуры адаптера является то, что параметры диска записаны в его ПЗУ, поэтому адаптер может работать только с определенной моделью диска. В других конструкциях НЖМД дисковые параметры хранятся на самом диске и загружаются в адаптер при работе.

Диски

Обычно в накопителе содержится один или несколько магнитных дисков. За прошедшие годы установлен ряд стандартных размеров накопителей, которые определяются в основном размерами дисков, а именно:

• 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 (на самом деле - 65 мм, или 2,56 дюйма);
• 1,8 дюйма (на самом деле - 48 мм или 1,89 дюйма);
• 1 дюйм (на самом деле - 34 мм, или 1,33 дюйма).

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.

Количество дисков ограничивается физическими размерами накопителя, а именно высотой его корпуса.

Раньше почти все диски производились из алюминиевого сплава, довольно прочного и легкого. Но со временем возникла потребность в накопителях, сочетающих малые размеры и большую емкость. Поэтому в качестве основного материала для дисков стало использоваться стекло, а точнее, композитный материал на основе стекла и керамики. Один из таких материалов называется MemCor и производится компанией Dow Corning. Он значительно прочнее, чем каждый из его компонентов в отдельности. 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 накопителях, выпускаемых такими компаниями, как IBM, Seagate, Toshiba, Areal Technology, Western Digital и Maxtor, используются стеклянные или стеклокерамические диски.

Рабочий слой диска

Независимо от того, какой материал используется в качестве основы диска, он покрывается 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 следующие типы рабочего слоя:

• оксидный;
• тонкопленочный;
• двойной антиферромагнитный (antiferromagnetically coupled - AFC).

Оксидный слой

Оксидный слой представляет собой полимерное покрытие с наполнителем из окиси железа. Наносят его следующим образом. 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. Затем на нее наносится еще один слой чистого полимера, обладающего достаточной прочностью и низким коэффициентом трения, и диск окончательно полируется. Накопители с такими дисками коричневого или желтого цвета.

Чем выше емкость накопителя, тем более тонким и гладким должен быть рабочий слой дисков. Но добиться качества покрытия, необходимого для накопителей большой емкости, в рамках традиционной технологии оказалось невозможным.

Поскольку оксидный слой довольно мягкий, он крошится при "столкновениях" с головками (например, при случайных сотрясениях накопителя). Диски с таким рабочим слоем использовались с 1955 года, и продержались они так долго благодаря простоте технологии и низкой стоимости. Однако в современных моделях накопителей они полностью уступили место тонкопленочным дискам.

Тонкопленочный 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.

Термин тонкопленочный рабочий слой очень удачен, так как 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. Это происходит почти так же, как при хромировании бампера автомобиля. Алюминиевую подложку диска последовательно погружают в ванны с различными растворами, в результате чего она покрывается несколькими слоями металлической пленки. Рабочим слоем служит слой из сплава кобальта толщиной всего около 1 микродюйма (приблизительно 0,025 мкм).

Метод напыления рабочего слоя заимствован из полупроводниковой технологии. Суть его сводится к тому, что 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 всего 1-2 микродюйма (0,025-0,05 мкм). Аналогично поверх магнитного слоя на диск наносится очень тонкое (порядка 0,025 мкм) углеродное защитное покрытие, обладающее исключительной прочностью. Это самый дорогостоящий процесс из всех описанных выше, так как для его проведения необходимы условия, приближенные к полному вакууму.

При гальваническом осаждении, и при напылении рабочий слой получается очень тонким и прочным. Поэтому вероятность "выживания" головок и дисков в случае их контакта друг с другом на большой скорости существенно повышается. И действительно, 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. Тонкопленочные покрытия дисков напоминают серебристую поверхность зеркал.

Двойной антиферромагнитный слой

Последним достижением в технологии изготовления носителей жестких дисков является использование антиферромагнитных двойных слоев ( antiferromagnetically coupled - AFC ), позволяющих существенно увеличить плотность рабочего слоя, превысив наложенные ранее ограничения. Увеличение плотности материала дает возможность уменьшить толщину магнитного слоя диска.

Плотность записи жестких дисков (которая выражается в количестве дорожек на дюйм или в числе бит на дюйм) достигла той точки, в которой кристаллы магнитного слоя, используемые для хранения данных, становятся настолько малы, что это приводит к их нестабильности и, как следствие, к низкой надежности запоминающего устройства. Границы плотности, получившие название суперпарамагнитного ограничения, должны находиться в пределах от 30 до 50 Гбит/дюйм2. В настоящее время плотность записи данных уже достигла 35 Гбит/дюйм2, т.е. суперпарамагнитное ограничение становится довольно существенным фактором, определяющим свойства создаваемых накопителей.

Носители AFC состоят из двух магнитных слоев, разделенных довольно тонкой пленкой металлического рутения, толщина которой 3 атома (6 ангстрем). Для описания этого сверхтонкого слоя рутения использовался термин "пыльца эльфов" ( pixie dust ), придуманный в IBM. Подобная многослойная конструкция образует антиферромагнитное соединение, состоящее из верхнего и нижнего магнитных слоев, что позволяет различать эти слои по всей видимой высоте жесткого диска. Такая конструкция дает возможность использовать физически более толстые магнитные слои, имеющие более устойчивые кристаллы большого размера, благодаря чему носители могут функционировать как одинарный слой, отличающийся гораздо меньшей общей толщиной.

Использование рабочего слоя AFC позволит, как ожидается, повысить плотность записи данных до 1000 Гбит/дюйм2 и более.

Головки чтения/записи

В накопителях на жестких дисках для каждой из сторон каждого диска предусмотрена собственная головка чтения/записи. 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.

Когда накопитель выключен, головки касаются дисков под действием пружин. При раскручивании дисков аэродинамическое давление под головками повышается и они отрываются от рабочих поверхностей ("взлетают"). Когда диск вращается на полной скорости, зазор между ним и головками может составлять 0,5-5 микродюймов и даже больше.

Конструкции головок чтения/записи

По мере развития технологии производства дисковых накопителей совершенствовались и конструкции головок чтения/записи. Первые головки представляли собой сердечники с обмоткой (электромагниты).

Механизмы привода головок

Механизм, который устанавливает их в нужное положение и называется приводом головок. Именно с его помощью головки перемещаются от центра к краям диска и устанавливаются на заданный цилиндр. Существует много конструкций механизмов привода головок, но их можно разделить на два основных типа:

Тип привода во многом определяет быстродействие и надежность накопителя, достоверность считывания данных, его температурную стабильность, чувствительность к выбору рабочего положения и вибрациям.

Приводы с шаговым двигателем обычно использовались на жестких дисках емкостью до 100 Мбайт и менее, которые создавались в 1980-х и в начале 1990-х годов. Во всех накопителях, имеющих более высокую емкость, обычно используются приводы с подвижной катушкой.

В накопителях на гибких дисках для перемещения головок используется привод с шаговым двигателем. Его параметров (в том числе и точности) оказывается вполне достаточно для дисководов этого типа, поскольку плотность дорожек записи на гибких дисках значительно ниже (135 дорожек на дюйм), чем в накопителях на жестких дисках (более 5 000 дорожек на дюйм). В большинстве выпускаемых сегодня накопителей устанавливаются приводы с подвижными катушками.

Привод с шаговым двигателем

Шаговый двигатель - это электродвигатель, ротор которого может поворачиваться только ступенчато, т.е. на строго определенный угол. Если покрутить его вал вручную, то можно услышать негромкие щелчки (или треск при быстром вращении), которые возникают всякий раз, когдаротор проходит очередное фиксированное положение.

Шаговые двигатели могут устанавливаться только в фиксированных положениях. Размеры этих двигателей невелики (порядка нескольких сантиметров), а форма может быть разной - прямоугольной, цилиндрической и т.д. Шаговый двигатель устанавливается вне блока HDA, но его вал проходит внутрь через отверстие с герметизирующей прокладкой. Обычно двигатель располагается у одного из углов корпуса накопителя и его можно легко узнать.

Одна из самых серьезных проблем механизма с шаговым двигателем - нестабильность температуры. При нагреве и охлаждении диски расширяются и сжимаются, в результате чего дорожки смещаются относительно своих прежних положений. Поскольку механизм привода головок не позволяет сдвинуть их на расстояние, меньшее одного шага (переход на одну дорожку), компенсировать погрешности температур невозможно. Головки перемещаются в соответствии с поданным на шаговый двигатель количеством импульсов.

Привод с подвижной катушкой

Такой привод используется практически во всех современных накопителях. В отличие от систем с шаговыми двигателями, в которых перемещение головок осуществляется вслепую, привод с подвижной катушкой использует сигнал обратной связи, чтобы можно было точно определить положения головок относительно дорожек и скорректировать их в случае необходимости. Такая система обеспечивает более высокие быстродействие, точность и надежность, чем традиционный привод с шаговым двигателем.

Привод с подвижной катушкой работает по принципу электромагнетизма. По конструкции он напоминает обычный громкоговоритель. 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; перемещение катушки осуществляется только под воздействием электромагнитных сил. При появлении в катушке электрического тока она так же, как и в громкоговорителе, смещается относительно жестко закрепленного постоянного магнита, передвигая при этом блок головки. Подобный механизм обладает высоким быстродействием и оказывается менее шумным, чем привод с шаговым двигателем.

В отличие от привода с шаговым двигателем, 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, 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 корректируются. 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. Поскольку сервокод считывается непрерывно, в процессе нагрева накопителя и расширения дисков, например, головки отслеживают дорожку и проблем со считыванием данных не возникает. Поэтому привод с подвижной катушкой и обратной связью часто называют системой слежения за дорожками.

Механизмы привода головок с подвижной катушкой бывают двух типов:

• линейный;
• поворотный.

Эти типы отличаются только физическим расположением магнитов и катушек