0. 2.4. Виды конструкций внешних запоминающих устройств

Внешние запоминающие устройства с НМЖД являются наиболее распространенными и совершенными ВЗУ с прямым доступом. Наиболее полно достижения конструкторской мысли проявляются в ВЗУ типа «винчестер», способных хранить сотни гигабайт информации при сравнительно малых габаритах всего устройства. В отличие от дискет и старых накопителей на ЖД, диски современных накопителей проходят первичную, или низкоуровневую, разметку (Low Level Formatting) на специальном заводском высокоточном технологическом стенде. В ходе этого процесса на диски записываются служебные метки – серво-информация, а также формируются привычные дорожки и сектора. Таким образом, если когда-то новый накопитель нужно было «форматировать на низком уровне», то сейчас этого делать не то чтобы не нужно – это просто невозможно без специального сложнейшего оборудования, а различные «программы низкоуровневого форматирования» чаще всего просто обнуляют содержимое секторов с проверкой их читаемости, хотя порой могут и необратимо испортить служебную разметку и сервоинформацию служебных секторов.

Конструкция. Элементы конструкции ВЗУ типа «винчестер» показаны на рис. 10. Типовой винчестер состоит из следующих компонентов: гермоблока и платы с электронными элементами. В гермоблоке размещаются все механические компоненты, а на плате с электронными элементами – устройства управления и контроля, за исключением предусилителя сигналов с магнитных головок, размещенного непосредственно внутри гермоблока. В гермоблоке установлен шпиндель с одним или несколькими дисками (наиболее распространены устройства с 2–5 дисками. Диски изготовляются из алюминия, керамики или стекла и покрыты тонким слоем окиси хрома, которая имеет большую износостойкость, чем покрытие на основе окиси железа, которую использовали в ранних моделях. Двигатель, вращающий диски, включается при подаче питания. Расположен он под дисками или встроен в шпиндель. Частота вращения измеряется в оборотах в минуту (rpm): 4500, 5400, 7200, 10000 и 150000 оборотов в минуту. Чем выше скорость вращения, тем выше, во-первых, скорость чтения с поверхн ости диска, во-вторых, время доступа к нужной информации.

Рис. 10. Элементы конструкции НЖМД типа «винчестер»

Со стороны интерфейсных разъемов находится поворотный позиционер, внешне немного схожий с башенным краном, у которого "стрела" - это несущие магнитных головок, а обратная сторона, "противовес", - это хвостовик с обмоткой электромагнитного привода. При подаче в обмотку тока определенной величины и полярности коромысло начинает поворачиваться в соответствующую сторону с необходимым ускорением. Динамически изменяя ток в обмотке, можно устанавливать позиционер в любое положение. Такая система привода получила название Voice Coil (звуковая катушка) - по аналогии с диффузором громкоговорителя.

При поворотах коромысла позиционера головки совершают движение по дуге между центром и периферией дисков. В старых моделях винчестеров коромысло было закреплено на оси шагового двигателя, и расстояние между дорожками определялось величиной шага. В современных моделях используются линейные двигатели, не имеющие дискретности, а установка головки происходит в соответствии с записанными сигналами на пластине.

На хвостовике обычно расположена так называемая магнитная защелка -маленький постоянный магнит, который при крайнем внутреннем положении головок (landing zone - посадочная зона) притягивается к поверхности статора и фиксирует коромысло в этом положении. Это так называемое парковочное положение головок, которые при этом лежат на поверхности диска, соприкасаясь с нею. В посадочной зоне дисков информация не записывается.

При вращении дисков в гермоблоке возникает воздушный поток, который постоянно очищается встроенными внутрь фильтрами. Воздушное давление уравновешивается специально предназначенными для этого окнами или технологическими отверстиями, в которые устанавливают фильтры для очистки воздуха.

Плата с электронными компонентами подключается к гермоблоку через спецразъемы. На плате расположены основной процессор винчестера, ПЗУ с программой, рабочее ОЗУ (буфера), цифровой сигнальный процессор (DSP) для подготовки записываемых и обработки считанных сигналов и интерфейсная логика. Программа процессора может записываться как в ПЗУ, так и на

служебную область диска. Также на диск записывают параметры устройства: модель, серийный номер, секторы конфигурации, таблицы дефектов, рабочие программы винчестера и т. д. Многие платы имеют специальные разъемы для сервисного обслуживания: тестирования, форматирования, переназначения дефектных участков и т.д.

При изготовлении винчестера могут возникать дефектные участки, так называемые bad сектора, которые замечаются и блокируются уже на заводе. Надо заметить, что в прежние времена адреса таких участков даже указывались на корпусе накопителя. С появлением технологии S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) за обнаружением подобных участков, их локализацией и выделением дополнительного объема из "секретных" областей диска стал следить автономный контроллер винчестера. То есть при работе винчестера контроллер следит за его "здоровьем" и при обнаружении плохих секторов либо переназначает их (помечает как bad и обращается к резервным), либо сигнализирует о неисправности. Для просмотра SMART-атрибутов существует множество программ: Hddspeed, HddUtils, S.M.A.R.T.vision и так далее.

При включении питания процессор винчестера выполняет тестирование электроники, после чего выдает команду включения шпиндельного двигателя. При достижении некоторой критической скорости вращения дисков плотность увлекаемого поверхностями дисков воздуха становится достаточной для преодоления силы прижима головок к поверхности и поднятия их на высоту от долей до единиц микрон над поверхностями дисков, и головки «всплывают». С этого момента и до снижения скорости ниже критической головки держатся на воздушной подушке, не касаясь поверхностей дисков.

После достижения дисками скорости вращения, близкой к номинальной (обычно 3600, 4500, 5400 или 7200 об/мин), головки выводятся из зоны парковки, и начинается поиск сервометок для точной стабилизации скорости вращения. Затем выполняется считывание информации из служебной зоны, в частности таблицы переназначения дефектных участков.

В завершение инициализации выполняется тестирование позиционера путем перебора заданной последовательности дорожек. Если оно проходит успешно, процессор выставляет на интерфейс признак готовности и переходит в режим работы по интерфейсу.

Для согласования скоростей потоков данных на уровне считывания/записи и внешнего интерфейса винчестеры имеют промежуточный буфер, часто ошибочно называемый кэшем. При отключении питания процессор, используя энергию, оставшуюся в конденсаторах платы, либо извлекая ее из обмоток двигателя, который при этом работает как генератор, выдает команду на установку позиционера в парковочное положение. Команда успевает выполниться до снижения скорости вращения ниже критической. В некоторых винчестерах (Quantum) этому способствует помещенное между дисками подпружиненное коромысло, постоянно испытывающее давление воздуха. При ослаблении воздушного потока коромысло дополнительно толкает позиционер в парковочное положение, где тот фиксируется защелкой. Движению головок в сторону шпинделя способствует также центростремительная сила, возникающая из-за вращения дисков.

Магнитные головки. Головки чтения/записи относятся к числу важнейших элементов дискового накопителя. Принцип действия головок винчестера похож на принцип работы головок обычного магнитофона, однако требования к ним предъявляются значительно более жесткие по сравнению с магнитофонными головками. Отличаются головки дисковых накопителей и своими малыми размерами.

Головка всегда находится на некотором расстоянии от поверхности диска (около 0,13 мкм), обеспечиваемом за счет потока воздуха при быстром вращении диска (головка «летит»). Уменьшение зазора между головкой и поверхностью диска увеличивает сигнал при считывании и позволяет снизить ток записи, однако сильно снижает устойчивость устройства к вибрациям и ударам. Тем не менее работы по уменьшению зазора между диском и головкой не прекращаются, и по прогнозам в ближайшее время зазор может быть уменьшен до 0,05мкм. Наличие зазора между головкой и поверхностью диска требует парковки головок (перемещения их за пределы рабочей поверхности) при выключении компьютера во избежание повреждения поверхности диска или головки при их механическом контакте. В старых устройствах для парковки головок нужно было использовать специальные программы (их запускали непосредственно перед выключением компьютера), современные винчестеры при выключении питания перемещают головки за пределы рабочей зоны дисков автоматически.

При изготовлении головок используются три различных технологических варианта:

• монолитные головки;

• композитные головки;

• тонкопленочные головки.

Монолитные головки изготавливаются из ферритов. Сложность обработки и хрупкость ферритов накладывают серьезные ограничения на их использование в современных системах с высокой плотностью записи информации на диск. В новых разработках такие головки почти не используются.

Композитные головки имеют меньшие размеры по сравнению с монолитными и выполнены из феррита на подложке из стекла или твердой керамики. Такой подход позволяет уменьшить зазор между головкой и поверхностью диска и, как следствие, повысить плотность записи на диск.

Тонкопленочные головки создаются методом фотолитографии. Магнитный сердечник головки осаждается на керамическую поверхность, что позволяет создать головки с очень малым магнитным зазором. Такая технология дает наивысшую плотность записи и позволяет уменьшить ширину дорожек.

На каждом винчестере, кроме блока дисков и привода, установлена печатная плата (как правило, она крепится снизу), обеспечивающая управление приводами головок и дисков, а также усиление сигналов записи/считывания. Кроме того, на этой плате установлен дешифратор команд управления головками, схемы стабилизации и др. На современных винчестерах, изготавливаемых в рамках программы Energy Star, имеется также устройство, обеспечивающее отключение привода дисков при отсутствии запросов к устройству, и другие функции энергосбережения.

Характеристики винчестеров. Современные дисковые устройства выпускаются четырех типоразмеров по ширине (диаметру дисков) и трех– по высоте. Диаметр дисков в большинстве случаев равен 1,8; 2,5; 3,5; или 5,25 дюйма, высота – 3,25 (устройство полной высоты), 1,63 (устройство половинной высоты) или менее 1 дюйма (низкопрофильное устройство). Наиболее широко используемые в настоящее время 3,5-дюймовые (по диаметру) высокоскоростные диски имеют следующие характеристики:

• от 15∙10³ до 65∙10³ дорожек на одной поверхности;

• в зависимости от количества дисков (2–5)– от двух до десяти рабочих поверхностей;

• в среднем 400 секторов на дорожке;

• 512 байт в каждом секторе.

Таким образом, емкость форматированного диска может составлять:

2 × 15000 × 400 × 512 ≈ 6∙10⁹ = 6 Гбайт;

10 × 65000 × 400 × 512 ≈ 130∙10⁹ = 130 Гбайт.

При скорости вращения диска ≈ 10000 об/мин средняя задержка позиционирования равна 3 мс (половина времени одного оборота). Среднее время внутренней пересылки данных от дорожки в буфер данных дискового контроллера составляет примерно 34 Мбайт/с.

Внешние запоминающие устройства с НОД. В зависимости от используемой технологии регистрации информации CD могут быть следующих видов: CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD, DVD-RAM. Вместе с тем основное их использование – хранение и чтение информации – основано на использовании обработки, отраженного от поверхности вращающегося диска, лазерного луча. Остановимся в связи с этим на рассмотрении некоторой абстрактной структуры ВЗУ с НОД, представленной на рис. 11. Основу ВЗУ составляет оптический CD, на поверхности которого различными способами оставлены метки микронных и даже субмикронных размеров двоичной зарегистрированной информации. Кроме основных меток (ранее были определены как впадины и площадки), на поверхность диска наносятся и вспомогательные метки – слежения за дорожкой и считывания.

Метки первого вида не позволяют лучу лазера соскользнуть с дорожки. Метки считывания представляют собой закодированные наименования небольших информационных массивов, что ускоряет их поиск.

Рис.11. Схема оптическая ВЗУ с НОД

Оптическая система ВЗУ включает в себя, помимо лазера-источника и фотодетектора, систему объективов, оптических пластин и зеркал. Объектив-1 служит для собирания и коллимирования большей части мощности лазерного излучения, для формирования на выходе нерасходящегося светового потока «исправленной», т.е. круглой в сечении формы. С помощью следящего зеркала луч направляется в заданную точку оптического диска. При считывании важную роль играет поляризационный призматический светоделитель. Лазерный луч, дважды пройдя через четвертьволновую оптическую пластину (на диск и от диска), так изменяет свою поляризацию, что в светоделителе он почти полностью отражается от диагональной границы раздела двух призм, вследствие чего изменяет направление своего распространения на перпендикулярное и попадает на фотодетектор. Исходный же луч лазера с первоначальной поляризацией проходит через светоделитель практически без отражения. Таким образом, обеспечивается развод лучей записи и считывания.

При считывании информации луч лазера не модулируется, излучение идет непрерывно. Этот луч, «ощупывая» дорожку вращающегося диска, по-разному отражается от ее поверхности (впадин и площадок, и переходов между ними). В результате отраженный луч оказывается промодулированным, причем его модуляция повторяет характер размещения меток на дорожке. Оптическая система направляет этот луч на фотодетектор, в котором световые вспышки преобразуются в электрические импульсы. Заметим также, что фокусировка объектива-2 настроена на восприятие отраженного луча только от поверхности дорожки. Поэтому случайные пылинки, оказавшиеся на поверхности диска, оптической системой не воспринимаются.

Аналогично ВЗУ с НЖМД, для ВЗУ с НОД повышенные требования предъявляются к электромеханическому сервоприводу (дисководу) устройства,

выполняющему функции:

• вращения диска;

• перевода лазерного луча с дорожки на дорожку диска;

• управления положением следящего зеркала;

• отыскания начала считываемого массива информации и т.д.

Необходимо обеспечивать мгновенные остановки и изменения направления вращения, отсутствие биений, точные фиксации совмещаемых узлов, преодоление последствий трения, износа деталей и их температурных деформаций.

Дисководы вращают диски с разной скоростью. Базовая же скорость вращения, которая обозначается как , составляет 75 секторов в секунду. При использовании формата Mode 1 она соответствует скорости пересылки данных ≈ 150 Кбайт/с. При такой скорости и таком формате CD-ROM вмещает до 700 Мбайт данных. Вместе с тем скорость вращения дисковода влияет только на скорость пересылки данных, но не на его вместимость. Скорость CD-ROM определяется относительно базовой скорости 150 Кбайт/с. Так, например, сорокаскоростной CD-ROM пересылает данные в 40 раз быстрее, чем односкоростной. Но даже эта скорость, составляющая порядка 6 Мбайт/с, значительно ниже скорости пересылки данных НЖМД, измеряемой десятками мегабайтов в секунду. Кроме этого, время доступа CD-ROM составляет десятки миллисекунд, что гораздо больше, чем у магнитных дисков. Поэтому с точки зрения производительности оптические CD значительно уступают магнитным дискам. Привлекательность и достоинства CD определяются их малыми физическими размерами, невысокой стоимостью, а также тем, что они являются съемными и легко транспортируемыми носителями достаточно большого объема информации.