3.1. Принципиальное устройство жесткого диска.

Накопитель на жестких магнитных дисках содержит следующие основ­ные блоки (Слайд 9):

• герметичный металлический корпус, либо имеющий защищенное фильтром отверстие для воздуха,

• пакет дисковых пластин на вращающейся оси электродвигателя,

• головки чтения-записи,

• позиционер (актюатор),

• контроллер.

Дисковая пластина состоит из основы и магнитного покры­тия, на которое записываются данные. Основу изготавливают из алю­миниевых сплавов, а в последнее время из керамики или стеклянных компонентов. Магнитное покрытие обычно выполняется из оксида железа. Современные технологии (например, с антиферромагнитной связью), требуют применения двух слоев магнитного покрытия с прослойкой из парамагнитного материала.

Пластины посажены на шпиндель, вращаемый сервомотором. В жест­ких дисках с интерфейсом IDE обычно используют 1-5 пластин, с интерфейсом SCSI — до 10. Скорость вращения современных жестких дисков достигает 15000 оборотов /мин.

Магниторезистивные технологии (MR) обеспечивают плотность записи до 3 Гбайт на одну пластину, технологии GMR — до 40 Гбайт на одну пластину, а технологии AFC —

Появление в 1999 г. изобретен­ных фирмой IBM головок с супермагниторезистивным эффектом (GMR — Giant Magnetic Resistance) постепенно привело к повышению плотности записи до 40 Гбайт на одну пластину. Головка GMR использует квантовую природу электрона, который имеет два разных типа спина (вращения).

Дальнейшее увеличе­ние плотности записи за счет уменьшения размеров магнитных час­тиц связано с технологией покрытия с антиферромагнитной связью (AntiFerromagnetically Coupled — AFC). Оно состоит из двух магнитных слоев, между которыми прослойка пара­магнитного материала (рутения) толщиной три атома, что обеспечивает плотность записи до 80 Гбайт - 120 Гбайт на одну пластину.

Принцип работы магнитно-резистивной головки при чтении данных состоит в заметном изменении сопротив­ления электрическому току при изменении напряжен­ности магнитного поля:

• Элемент чтения в ней представляет собой сверхтонкую пленку из специального материала, который меняет сопротивление в зависимости от ориентации магнитных доменов на поверхности вращающегося диска.

• Канал чтения данных непрерывно пропускает ток через головку, и потому изменение сопротивления пленки мгновенно регистрируется. Данные поступают в специальный компаратор, который определяет, какой бит был считан, и далее направляет сформирован­ный сигнал нуля или единицы.

• Позиционер (актюатор) перемещает головки к нужному цилиндру диска. Он также играет большую роль в обеспечении безопасности при ударах, отключении питания и других аварийных ситуациях.

• Контроллер управляет всеми электромеханическими и электронными компонентами жесткого диска. Как правило, выполняется на микро­схеме вместе с буфером данных. Контроллер обеспечивает сопряже­ние жесткого диска с интерфейсом компьютера.

3.2. Основные характеристики нжмд. (Слайд 10)

1. Форм-фактор определяет габариты жесткого диска. Для настольных систем основным считается формат 3,5 дюйма соответствующих отсеков стандартных корпусов. Для компактных ком­пьютеров предназначен формат 2,5 дюйма, а сменные устройства выпускаются в специальных форматах 1,8 дюйма (Toshiba PC Card Drives) или 1 дюйм (IBM Microdrive). Наибо­лее миниатюрные винчестеры выполняются в размерах флэш-карты типа Compact Flash, что позволяет использовать их в цифровых фото­аппаратах.

2. Плотность записи и емкость тесно связаны между собой. Поверхно­стная плотность записи зависит от расстояния между дорожками (поперечная плотность) и минимального размера магнитного домена (продольная плотность). Обобщающий критерий - плот­ность записи на единицу площади диска или емкость пластины (40 Гбайт, 80 Гбайт) Чем выше плотность записи, тем больше скорость обмена данными между головками и буфером (внутренняя скорость передачи данных).

3. Объем буфера (кэш-память НЖМД – 2 - 8 Мбайт для дисков с интерфейсом IDE и SATA или до 16 Мбайт для дисков с интерфейсом SCSI) также влияет на внутреннюю ско­рость передачи данных. Для ускорения процесса чтения / записи используется буферизация данных, когда контроллер винчестера читает не один, нужный в данный момент сек­тор, а целую дорожку. Прочитанные данные сохраняются в буфере. Таким образом, при новом запросе на чтение следующего сектора контроллер НЖМД сначала проверит наличие нужных данных в буфере, не проводя реального чтения данных с поверхности магнитных дисков.

4. Скорость вращения шпинделя влияет на сокращение сред­него времени доступа (См. ниже).

Стандартами для интер­фейса IDE считаются значения 5400 и 7200 оборотов/мин, с интер­фейсом SATA - 7200 оборотов/мин, с интерфейсом SCSI — до 15000 оборотов/мин. Температурный режим работы устройств с высокими частотами вра­щения (10000 и более оборотов в минуту) тре­бует специальных мер по охлаждению (установка отдель­ных вентиляторов).

5. Время доступа к информации на диске (5-9 мсек) связано со скоростью вращения. Быстродействие НЖМД — запись и чтение информации — зависит от конструкции НЖМД, схемотехники его контроллера и работы интерфейса передачи данных. Время доступа (access time) к информации на диске складывается из нескольких состав­ляющих:

• времени перемещения магнитной головки на нужную дорожку (seek time);

• времени установки головки и затухания ее колебаний (setting time);

• времени ожидания вращения (rotation latency) — ожидания момента, когда из-за вращения диска нужный сектор окажется под головкой. В лучшем случае оно окажется равным нулю, а в худшем будет равно времени полного оборота диска.

6. Время поиска. Пользовательские данные обычно разбиты на множество небольших кластеров (групп секторов), кото­рые могут размешаться на диске произвольно, поэтому чтение файла, части кото­рого расположены на разных дорожках, занимает больше времени, чем ко­гда все части файла находятся на одной дорожке или на одном и том же номере дорожки, но на разных сторонах диска. Это происходит потому, что для перемещения головки с одной дорожки на другую требуется значитель­ное время, порядка единиц и десятков миллисекунд, а это весьма большое время для современного компьютера. Поэтому определены:

• среднее время поиска (average seek time) — усредненное время, требуемое для установки головок на случайно заданную дорожку (около 8,5 мс у средних НЖМД).

• время поиска при переходе на соседнюю дорожку (track-to-track seek time) — время перехода головок с 1-й дорожки на 2-ю и т. д. (около 1 мс у средних НЖМД).

7. Скорость передачи данных - для интерфейса IDE - 66, 100, 133 и 266 Мбайт/сек, для интерфейса SATA – до 6 Гбайт/сек.

8. Объем данных. Серийно выпускаются НЖМД объемом в сотни Гбайт и более. Возможность хранить такой огромный массив данных создает еще одну нишу для использования НЖМД — использование в бытовых видеоустройствах вместо традиционных кассет с магнитной лентой.

9. Эффективность контроллера определяет точность работы компонентов жесткого диска и успеш­ность сопряжения с интерфейсом компьютера. Основой контроллера является цифровой сигнальный процессор (DSP), программы для которого хранятся («зашиты») в самой микросхеме.

10. Надежность — самый важный и, в то же время, неопределенный кри­терий. В принципе, каждый производитель указывает MTBF (Mean Time Between Failure) — среднее время наработки на отказ (измеряется в часах). Обычным показателем для дисков с интерфейсом IDE считается наработка на отказ 300 000 - 500 000 часов, с интерфейсом SCSI — до 1 000 000 часов. Этот параметр является чисто статистическим. Для конкретного экземпляра он означает, что за период в 1000 часов его работы вероятность выхода из строя составит 0,5% (при показателе наработки на отказ 200 000 часов). Но это вовсе не означает, что диск не сломается в течение долгого времени.

Если не заниматься ежедневным резервным копированием данных, то поломка жесткого диска влечет решение непростых проблем вос­становления информации. Иногда стоимость таких работ превышает цену нового НЖМД.