1.3 Накопители на жестких магнитных дисках.

План

1. Принцип работы НЖМД.

2. Способы кодирования данных.

3. Основные узлы накопителей на жестких дисках.

4. Характеристики НЖМД.

5. Интерфейсы НЖМД (самост.).

6. Установка и настройка дисководов (самост.).

7. Системная поддержка дисковой памяти.

Накопители на жестких магнитных дисках НЖМД (HDD – Hard Disk Drive) являются главными устройствами дисковой памяти компьютеров. Синоним НЖМД – винчестер. Наряду с процессором и оперативной памятью винчестер определяет мощность компьютера. От него требуется большой объем хранимой информации (десятки Гбайт), малое время доступа (единицы мс), большая скорость передачи данных (десятки Мбайт/с), высокая надежность, умеренная стоимость. Прогресс в области производства винчестеров стремительный: от 10-мегабайтного диска ХТ уже пришли к десяткам Гбайт, скорость передачи данных возросла на три порядка. Каждый год емкость винчестера РС примерно удваивается, а цена снижается.

Вся электромеханическая часть накопителя – пакет дисков со шпиндельным двигателем и блок головок с приводом – находятся в гермоблоке (HDA). На корпусе гермоблока размещается и плата электроники накопителя.

В качестве привода шпинделя используют трехфазные синхронные двигатели. Скорость вращения 4500, 5400, 7200 об/мин, самые быстрые винчестеры – 10000 и даже 15000 об/мин. Чем выше скорость вращения, тем больше скорость обмена информацией с диском. Однако высокие скорости порождают проблемы, связанные с балансировкой, тепловыделением.

Пластины (platter) НЖМД изготавливают из алюминиевых сплавов, керамики, стекла. Рабочий магнитный слой основан на окиси железа или окиси хрома. От качества материала зависит допустимая плотность записи информации. Поверхность пластин должна быть плоской. Количество пластин у современных винчестеров 1-4 (большое количество неудобно для блока головок). Емкость 1 пластины винчестера 3,5” формата – 20Гбайт и это не предел.

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. Сигнал считывания в индуктивной головке представляет собой по форме производную от записанного сигнала.

Для магнитных головок очень важно расстояние от головки до поверхности магнитного слоя носителя. Непосредственный контакт головки с поверхностью допустим лишь при малых скоростях движения головки. Высота “полета” головки должна быть очень строгой, иначе магнитные поля головок будут “промахиваться” мимо рабочего слоя. В современных накопителях для считывания часто применяют магниторезистивные головки (MRH). Сигнал с магниторезистивной головки повторяет форму записанного сигнала, а не является его производной. В головки через магниторезистивный датчик пропускают измерительный ток, и величина падения напряжения пропорциональна намагниченности находящегося под головкой участка магнитной поверхности.

Магниторезистивная головка считывания хорошо уживается с индуктивной головкой записи, что позволяет достигать высокой плотности записи, но конструктивно она сложнее.

“Падение” головок на рабочую поверхность, которое произойдет, если диск остановится, может повредить как головку, так и поверхность диска. Чтоб этого не происходило, в нерабочем положении головки паркуются (park) – отводятся в нерабочую зону, где допустимо их “приземление”.

• Для позиционирования головок на требуемый цилиндр в старых винчестерах применялись шаговые двигатели. У шагового привода есть масса недостатков:

  1. большое время поиска;

  2. нельзя добиться высокой плотности записи;

  3. система позиционирования разомкнутая (без обратной связи);

  4. все отклонения размеров (температурные, от старения) приводят к уходу положения головок от исходных дорожек.

Точность позиционирования с шаговым приводом можно повысить, если уменьшить шаг, но процесс позиционирования быстрым не получиться. В накопителях с шаговым приводом сложно осуществить автоматическую парковку головок.

• В современных НЖМД применяют соленоидный привод (привод головок с подвижной катушкой). 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. Соленоидный привод может быть:

  1. линейным (катушка с блоком головок перемещается строго по радиусу дисков);

  2. поворотным (блок головок с катушкой размещены на поворотной рамке, и траектория головок отличается от радиальной). В большинстве НЖМД применяется поворотный привод;

  3. привод, обеспечивающий точное позиционирование по сигналу обратной связи, называется сервоприводом.

Соленоидный привод является замкнутой системой. В НЖМД с линейным приводом система привода являлась разомкнутой – привод позиционировал головки по своим соображениям и координатам. Замкнуть систему управления в соленоидном приводе позволило размещение сервометок – вспомогательной информации для “системы наведения” – прямо на диске. В таком случае изменение размеров диска под действием температуры и других факторов перестает существенно влиять на точность позиционирования, так как сервометки располагаются рядом с теми же искомыми треками. Сервометки располагаются в областях, которых находятся между треками. При выполнении операций записи на время прохождения сервометок должен обязательно блокироваться. Если из-за неисправности устройства сервометки на какой-либо дорожке будут “накрыты” сигналом записи, эта дорожка навсегда станет сбойной.

В гермоблоке воздух должен быть чистым – мелкая частичка, попавшая под головку, может поцарапать и диск, и головку. Поэтому имеются 2 фильтра: барометрический и рециркуляционный.

Кроме механики, дисковый накопитель имеет блок электроники, управляющий приводами шпинделя и головок и обслуживающий сигналы рабочих головок записи-считывания. В гермоблоке на маленькой плате устанавливают предварительные усилители считывания, коммутаторы, формирователи сигналов записи. К этой плате подключаются провода, идущие к головкам, а также кабель, связывающий ее с контроллером. Контроллером накопителя называют электронное устройство, на одной (интерфейсной) стороне которого идет обмен байтами команд, а другая его сторона связывается с гермоблоком. В современных НЖМД контроллер расположен на плате электроники, смонтированной вместе с гермоблоком.

Контроллер современного винчестера состоит из нескольких основных блоков:

1. Управляющий микроконтроллер – обеспечивает взаимодействие всех блоков накопителя и связи с внешним интерфейсом;

2. Внутреннее оперативно-запоминающее устройство ОЗУ (буферная память накопителя) – используется для считывания и записи секторов;

3. Блок управления шпиндельным двигателем – обеспечивает запуск и остановку шпинделя по команде от микроконтроллера, поддерживает заданную скорость вращения;

4. Блок управления позиционированием – следит за положением головки на треке;

5. Коммутатор головок – микросхема, смонтированная в непосредственной близости от головок;

6. Канал чтения-записи;

7. Детектор сервометок, выделяющий их из потока сигналов, принимаемых с головок считывания;

8. Контроллер НЖМД (HDC – Hard Disс Drive Controller) – специализированная микросхема, выполняющая основные функции, связанные с записью и считыванием информации.

Разработчики винчестеров стремятся к сокращению числа микросхем в блоке электроники. Несмотря на кажущуюся простоту конструкции записать и потом достоверно считать информацию с диска не так-то просто. Для записи данных необходимо сформировать последовательный код, который должен быть самосинхронизирующимся: при последующем считывании из него должны извлекаться и данные, и синхросигнал, что позволяет восстановить записанную цепочку битов. Кроме того, индуктивные считывающие головки воспринимают только факты изменения намагниченности участков трека. Также физическое исполнение (магнитные свойства носителя, конструкция головок, скорость движения, “высота полета” головок) задает предельно достижимую плотность изменения состояния намагниченности (Flux dencity), которую хотелось бы использовать максимально эффективно.

Поэтому для записи на диск используются различные схемы кодирования (Data encoding sheme), отличающиеся по сложности реализации и эффективности работы.

В первых моделях накопителей использовалась частотная модуляция FM (Frequency Modulation). Здесь для каждого бита данных на треке отводится ячейка с окном для представления бита и синхросигнала, что весьма неэффективно расходует предел FCI (Flux Changes per Inch – изменение потока плотности на дюйм длины трека). Более эффективна модифицированная частотная модуляция MFM (Modified Frequency Modulation), в которой синхросигнал вводится только при кодировании следующих подряд нулевых битов, что позволяет удвоить плотность записи при той же плотности изменения потока. И FM и MFM являются схемами с побитным кодированием. Более эффективны схемы кодирования, при которых цепочка байтов данных (сектор) предварительно разбивается на группы по несколько бит, которые кодируются по определенным правилам.

Схема кодирования RLL (Run Lenght Limited) построена на ограничении длины неперемагничиваемых участков трека. Наиболее популярная схема RLL 2.7 – в ней число неперемагничиваемых ячеек лежит в диапазоне от 2 до 7. Для накопителей с высокой плотностью используется схема RLL 1.7, обеспечивающая большую надежность считывания. По этим схемам происходит упаковка данных и исключение избыточных синхросигналов. Кстати сказать, FM и MFM являются разновидностями RLL: FM эквивалентна RLL 0:1, MFM – RLL 1.3. Соотношение полезной плотности записи BPI (Bit per Inch – битов на дюйм) при одинаковой плотности FCI, при популярных схемах кодирования следующее:

FM : MFM : RLL 1.7 : RLL 2.7 = 1 : 2 : 2,54 : 3

Основные узлы НЖМД:

1. диски;

2. головки чтения/записи;

3. механизм привода головок;

4. двигатель привода дисков;

5. печатная плата со схемами управления;

6. кабели и разъемы;

7. элементы конфигурации – перемычки, переключатели.

Характеристики НЖМД.

1. надежность;

2. быстродействие;

3. противоударная подвеска;

4. стоимость;

5. емкость.

1. Надежность характеризуется среднестатистическим временем между сбоями (MTBF – Mean Time Between Falures). MTBF для винчестеров колеблется в пределах от 20000 до 500000 часов, но эти цифры являются теоретическими и на них не обращают особого внимания. Получить реальное значение MTBF невозможно, так как каждая модель накопителя выпускается в течение года, а затем заменяется новой.

2. Быстродействие можно оценить по 3 параметрам:

   • Среднестатистическое время поиска (мс) подразумевает среднестатистическое время, в течение которого головки перемещаются с одного цилиндра на другой;

   • Скорость передачи данных определяет, какие объемы данных могут быть переданы из накопителя в систему и обратно за определенные промежутки времени;

3. Противоударная подвеска. Между корпусом накопителя и каркасом, на котором монтируются остальные узлы, устанавливается резиновая прокладка, (она может быть или не быть, но если устройство будет использоваться в неблагоприятных условиях, то ее желательно иметь, например, в портативных компьютерах).

4. Стоимость накопителя снижается с каждым годом, а качество улучшается.

5. Емкость (в накопителях может фигурировать одна из 4 цифр):

- неформатированная емкость, в миллионах байтов;

- форматированная емкость, в миллионах байтов;

- неформатированная емкость, в мегабайтах;

- форматированная емкость, в мегабайтах.

Вопросы для самоконтроля:

1. Как устроен винчестер?

2. Характеристики НЖМД?

3. Расскажите, какие приводы используются в НЖМД?

4. Что такое сервометки, для чего они используются, где располагаются?

5. Способы кодирования данных?