5. Цифровые устройства на основе жесткого магнитного диска
[18 – 22]
К цифровым дисковым устройствам относятся, прежде всего, компьютеры, звуковые рабочие станции, а также отдельные аппараты, называемые Hard Disk Recorder (HDR),
в том числе современные дисковые магнитофоны и видеомагнитофоны.
Преимущества дисковых устройств аудио- и видеозаписи очевидны:
- высокая оперативность, практически мгновенный доступ к любому участку записанной информации;
- возможность неограниченно перезаписывать исходную информацию при монтаже без потери качества;
- простота связи с компьютерными системами обработки сигнала.
Непосредственными носителями информации в таких устройствах являются накопители на жестких дисках (HDD - Hard Disk Drive) или, как их еще называют, – винчестеры [19].
Поскольку HDD изначально проектировались для длительного хранения данных в компьютере с многократным обращением к данным и перезаписями, то надежность их довольно высока и вероятность выпадения информации в современных жестких дисках ничтожна.
25
5.1. Строение жестких дисков
Основными элементами конструкции типового накопителя на жестких дисках являются (рис. 5.1):
м
агнитные
диски (один диск или пакет из нескольких
магнитных дисков);головки записи/воспроизведения;
механизм привода головок;
двигатель привода дисков;
печатные платы с электронной схемой управления;
разъемные элементы конфигурирования и монтажа.
Диски расположены на оси-шпинделе на некотором расстоянии друг от друга, так что между ними перемещаются магнитные головки. На каждый диск имеется две пары головок записи/воспроизведения (рис 5.2).
Скорость вращения дисков может составлять 3600, 4500, 5400 или 7200 об/мин (т.е. один оборот выполняется за 1/60 – 1/120 с).
Пластина жесткого диска состоит из подложки, диаметром 350-360 мм, на обе стороны которой нанесен магнитный слой, где и хранится информация; за ним защитный слой, защищающий магнитный от коррозии, и тонкий 2 нм смазывающий слой, по которому скользит магнитная головка. Этот слой предотвращает механическое воздействие головки на рабочий слой.
Подложка магнитного диска ранее изготавливалась из алюминиевого сплава с небольшим добавлением магния. Теперь основным материалом является композитный материал из стекла и керамики, поскольку такая основа значительно прочнее и тоньше. Кроме того, диски с основой из стеклокерамики менее восприимчивы к колебаниям температуры.
26
Рис. 5.1.Конструкция типового HDR
27
Рис.
5.2. Строение жестких дисков
А
- пакет дисков HDD; Б
- расположение головок над/под диском
28
Рабочие слои изготовляются или путем нанесения тонких пленок или методом напыления.
При технологии нанесения тонких пленок стеклокерамическая подложка диска последовательно погружается в ванну с различными растворами, покрываясь несколькими слоями металлической пленки. Рабочим слоем служит пленка из сплава кобальта толщиной 0,08 мкм.
М
Сектора
кобальтовый сплав толщиной 0,03-0,05 мкм. Далее наносится защитное покрытие толщиной 0,025 мкм, изготовленное на основе карбида кремния.
Поверхность рабочего слоя, полученного методом напыления, исключительно гладкая, благодаря чему просвет между головками и поверхностью дисков удалось уменьшить до 0,05 – 0,08 мкм [18-21]. При этом повышается информационная емкость диска, увеличивается значение воспроизводимого сигнала и отношение сигнал/шум.
Информация на дисках записывается на дорожках (треках), представляющих замкнутые концентрические окружности. Число дорожек жесткого диска от нескольких сотен до нескольких тысяч (рис. 5.3) . Расположенные друг над другом, концентрические окружности представляют собой как бы цилиндры записи. Дорожки разбиваются на сектора. Размер секторов различных дисков находится в диапазоне от 128 до 1024 байт, но в качестве стандарта принят размер сектора 512 байт, а число секторов на
29
дорожках обычно составляет 17. Наружные поверхности крайних дисков используются для хранения служебной информации.
Рис.5.3. Дорожки и сектора жесткого диска
Головки записи и воспроизведения крепятся в так называемом плавающем элементе на специальном позиционере. Благодаря плавающему элементу создается аэродинамическая подъемная сила, за счет которой головки как бы плывут над поверхностью диска. Ширина зазора «головка – носитель» определяется аэродинамикой
вращающегося диска и формой плавающего элемента, в котором находятся головки, а также качеством поверхности диска.
30
Привод движения позиционера представляет собой замкнутую сервосистему, для работы которой необходима предварительно записанная сервоинформация. Именно она
позволяет позиционеру постоянно знать свое точное местоположение. На первых моделях винчестеров позиционер головок обычно перемещался с помощью шагового двигателя. Однако он инерционен и не позволяет производить запись с большой плотностью. В настоящее время для управления положением позиционера используются преимущественно линейные (типа «звуковая катушка») двигатели. К их преимуществам можно отнести высокую скорость
перемещения, практическую нечувствительность к изменениям температуры и положениям привода. Кроме того, реализуется автоматическая парковка головок при выключении питания винчестера. В отличие от шаговых, линейные двигатели не требуют периодического переформатирования поверхности носителя.
Для того, чтобы получить на магнитном носителе структуру диска, включающую в себя дорожки, цилиндры и сектора, над ним должна быть выполнена операция, называемая физическим или низкоуровневым форматированием. В ходе выполнения этой процедуры контроллер записывает на носитель служебную информацию, которая определяет разметку цилиндров диска на сектора и нумерует их. Как правило, структура формата включает в себя байты синхронизации, указывающие на начало каждого сектора, инициализирующие заголовки, состоящие из номера головки, сектора и цилиндра, а также биты циклического контроля четности. К форматированию низкого уровня относится также маркировка дефектных секторов для исключения обращения к ним в процессе эксплуатации диска.
Вся служебная информация, необходимая для функционирования винчестера, записывается на магнитные диски на заводе-изготовителе. Эта информация может быть нескольких типов: сервисная, рабочие программы, формат нижнего уровня, паспорт диска и таблица сбойных секторов [19].
31
В состав любого винчестера входит электроника, которая расшифровывает команды контроллера жесткого диска, стабилизирует скорость вращения двигателя диска, генерирует сигналы для головок записи и усиливает сигналы с головок воспроизведения.
Накопители на жестких магнитных дисках относятся к записывающим устройствам с произвольной выборкой информации. Это значит, что для отыскания заданной
информации не требуется последовательного считывания всей предшествующей информации (время доступа 1-10 мс).
Плотность записи на диски при продольном способе записи информации порядка 100 - 130 Гбит на кв.дюйм [6].
