Внутреннее устройство дисковых систем

 

В ЗУ с фиксированными головками приходится по одной головке считывания/ записи на каждую дорожку. Головки смонтированы на жестком рычаге, пересека­ющем все дорожки диска. В дисковом ЗУ с подвижными головками имеется только одна головка, также установленная на рычаге, однако рычаг способен перемещаться в радиальном направлении над поверхностью дис­ка, обеспечивая возможность позиционирования головки на любую дорожку.

Диски с магнитным носителем устанавливаются в дисковод, состоящий из ры­чага, шпинделя, вращающего диск, и электронных схем, требуемых для ввода и вы­вода двоичных данных. Несъемный диск зафиксирован на дисководе. Съемный диск может быть вынут из дисковода и заменен на другой аналогичный диск. Преиму­щество системы со съемными дисками — возможность хранения неограниченного объема данных при ограниченном числе дисковых устройств. Кроме того, такой диск может быть перенесен с одной ВМ на другую.

Большинство дисков имеет магнитное покрытие с обеих сторон. В этом случае говорят о двусторонних (double-sided) дисках. Односторонние (single-sided) диски в наше время встречаются достаточно редко.

На оси может располагаться один или несколько дис­ков. В последнем случае используют термин дисковый пакет.

В зависимости от применяемой головки считывания/записи можно выделить три типа дисковых ЗУ. В первом варианте головка устанавливается на фиксиро­ванной дистанции от поверхности так, чтобы между ними оставался воздушный промежуток. Второй вариант — это когда в процессе чтения и записи головка и диск находятся в физическом контакте. Такой способ используется, например, в нако­пителях на гибких магнитных дисках (дискетах).

Для правильной записи и считывания головка должна генерировать и воспри­нимать магнитное поле определенной интенсивности, поэтому чем уже головка, тем ближе должна она размещаться к поверхности диска (более узкая головка оз­начает и более узкие дорожки, а значит, и большую емкость диска). Однако при­ближение головки к диску означает и больший риск ошибки за счет загрязнения и дефектов. В процессе решения этой проблемы был создан диск типа «винчестер».

В винчестерах используются круглые диски, называемые пластинами, они покрыты с обеих сторон специальным материалом, разработанным для хранения информации в виде намагниченных цепочек. Пластины крепятся на шпиндель. Они вращаются на большой скорости, приводимые от специального шпиндельного мотора. Специальные электромагнитные читающие/пишущие устройства, называемые головками, используются для записи и чтения информации с поверхности пластин (рис. 74).

Рис. 74. Внутреннее строение накопителя типа «винчестер».

 

Весь винчестер должен быть произведен с особой точностью в силу очень большой миниатюрности компонентов. Пластины, головки, шпиндель, соленоидный привод закрыты в специальном объеме, называемом гермозоной, или «банкой». Это сделано для того, чтобы гермозона была защищена от пыли, которая может разрушить головки или стать причиной царапин на пластинах. Внутри гермозоны находится воздух, а не вакуум, как думают многие. Она связана с внешним миром системой выравнивания давления, в которой имеется воздушный фильтр. Таким образом, давление воздуха внутри гермозоны всегда выровнено с окружающим воздухом, этим же образом решена проблема с выпадением конденсата — когда вы приносите винчестер с улицы, достаточно 2-3 часов, чтобы он нагрелся и испарился конденсат с поверхности пластин.

Приведем пример работы винчестера. Это схематичный пример, в котором мы не будем касаться таких вещей, как кэширование диска, коррекции ошибок и многих других специальных приемов, которые используются в современных жестких дисках и позволяют улучшить скорость и надежность работы.

 

1. Первый шаг в доступе к диску — это знание того, где искать информацию. Между запросом к данным и вычислением точного места поиска, происходит несколько преобразований:

a. преобразование адреса данных в файле в адрес на логическом диске;

b. преобразование адреса на логическом диске в адрес сектора на диске (это производится в компьютере, далее вступает работа самого винчестера).

2. Управляющая программа жесткого диска сначала проверяет наличие запрашиваемой информации у себя в кэше. Если она есть, контроллер сразу же выдает информацию, без доступа к поверхности диска.

3. В большинстве случаев, жесткий диск уже крутится, если это не так (в случае активизации процесса сохранения энергии), производится раскрутка пластин.

4. Контроллер переводит полученный адрес сектора в физический адрес на диске: номер головки, номер цилиндра, номер сектора. Это производится с помощью специальной подпрограммы контроллера жестких дисков, называемой транслятором.

5. Котроллер выдает команду соленоидной системе на перемещение головок к нужному треку.

6. Когда головки находятся над нужным треком, выбирается интересующая нас головка и производится ожидание момента, когда перед головкой должен пролететь нужный нам сектор. Затем происходит считывание сектора.

7. Контроллер считывает сектор в свой буфер, после чего он выдает эту информацию компьютеру с помощью интерфейса.

 

Подложечный материал, из которого изготовлена пластина, образует основу, на которой будут храниться данные. Слоем, хранящим данные, является очень тонкое покрытие магнитным материалом поверхности пластины. Толщина этого слоя — несколько миллионных дюйма.

В качестве магнитного материала в старых винчестерах использовался оксидный материал, а именно — оксид железа. Если посмотреть на пластины старых винчестеров, они будут иметь характерный светло-коричневый цвет. Тип магнитного материала, используемого в старых винчестерах, схож с материалом, используемом в аудиокассетах: они тоже используют оксид железа в качестве хранителя и переносчика звуковой информации, именно поэтому пленка в аудиокассетах тоже светло-коричневая.

Современные накопитеи используют тонкопленочное покрытие. Как видно из названия, очень тонкий слой магнитного материала прикреплен к подложке пластины. При производстве таких пластин используются специальные производственные технологии. Одна из технологий — это гальванопокрытие. Другая технология — распыление. Пластины, произведенные по технологии распыления, имеют лучшую однородность, чем пластины, произведенные с помощью гальванопокрытия. В силу возросших требований к качеству пластин в современных жестких дисках, используются пластины, произведенные по технологии напыления магнитного материала.

 

По сравнению с оксидным материалом, тонкопленочный материал более однороден и гладок. Он также имеет намного лучшие магнитные свойства, позволяющие хранить намного больше данных на единицу поверхности. Кроме того, этот материал намного устойчивее к физическим воздействиям. Пластины после нанесения магнитного материала покрываются тонким защитным слоем, состоящим из карбона.

Поверхностная плотность записи, иногда называемая битовой плотностью, показывает, какое количество информации может храниться на единицу поверхности пластины. Она обычно считается в битах на квадратный дюйм — BPSI — bits per square inch.

Поверхностная плотность записи — двухмерная величина, она вычисляется как продукт двух одномерных величин:

1. Трековая плотность: Она показывает, как много треков может поместиться на каждый дюйм радиуса диска. Пусть, например мы имеем пластины диаметром 3,74 дюйма, или радиусом в 1,87 дюйма. Естественно, в силу того, что пластина надевается на шпиндель, реально рабочий участок будет, например, равен 1,2 дюйма. Пусть мы имеем 22000 треков на пластину, тогда трековая плотность будет примерно равна 18333 треков на дюйм — TPI — tracks per inch.

2. Линейная плотность или плотность записи: Эта величина показывает, сколько бит информации может поместиться на одном треке. Если на треке может поместиться 300000 бит, то мы можем говорить, что линейная плотность записи составляет 300000 бит на трек — BPI — bits per inch.

Беря продукт умножения этих двух величин можно получить поверхностную плотность записи. В приведенном выше примере она будет составлять величину порядка 5,5 Гигабит на квадратный дюйм. Современные жесткие диски имеют плотности порядка сотен гигабит на квадратный дюйм, в то же время первые жесткие диски для ПК имели плотности, порядка 0,004 Гигабит на квадратный дюйм.

Линейная плотность записи диска не постоянна для всей поверхности пластины. Причиной, по которой эта величина не постоянна, служит увеличение длины трека от центра к краям пластины. Таким образом, внешние треки хранят большее количество информации, чем внутренние. С изобретением зонной записи, винчестеры начали хранить больше информации на внешних треках, чем на внутренних, но, тем не менее, линейная плотность записи у внутренних треков больше, чем у внешних.

Существует два пути для увеличения поверхностной плотности записи:

· увеличение линейной плотности записи, увеличивая при этом количество информации хранимой на треке;

· увеличение трековой плотности, увеличивая при этом количество треков на пластину.

 

Обычно, в более новом поколении винчестеров улучшаются обе эти величины. Как следствие их улучшения, повышаются и такие параметры винчестера, как скорость линейного чтения/записи, а также и скорость позиционирования.