Конструктивні особливості.

Основними показниками якості накопичувачів на магнітних дисках є їхня ємність і час доступу. Ємність магнітного диска залежить від подовжньої щільності (обумовленої числом намагнічування на одному міліметрі), і від поперечної щільності, або числа циліндрів ( щоприходяться на один міліметр).

Подовжня щільність головним чином залежить від відстані між голівкою і поверхнею магнітного носія. У сучасних НЖД ця відстань складає 3-10 мікрон (у НГД вона значно більше). Крім того, цим механізмом практично визначаться і час доступу до даних, оскільки основні витрати часу при операціях запису/зчитування приходять саме на механічне переміщення голівок на задану доріжку.

НЖД виконані у вигляді пакета дисків, яких нараховується від 1 до 14; при цьому кожна поверхня обслуговується відповідною голівкою. У більшості моделей не допускається роздільне позиціювання голівок кожної з поверхонь. Самі диски виконані з алюмінієвих сплавів чи склокераміки. Існують наступні діаметри жорстких дисків: 12/305, 5/127, 3,74/95, 2,5/64, 1,34/34 і 1,125/29 дюйми /мм. У ПК найчастіше використовуються диски діаметром 3,74 і 2,5 дюйми. Швидкість обертання дисків складає від 3600 до 15000 об./хв. Диски розбиті на циліндри, голівки і сектори. Виконання операцій запису/зчитування відбуваеться посекторно.

Сектор складається з адресної та інформаційної частин. Адресна частина сектора містить номер циліндра, номер голівки, номер сектора і код довжини сектора. Усі ці дані використовуються в процесі секції сектора для запису/зчитування і визначаються при форматуванні на нижньому рівні (прямого програмування контролера диска чи рівні BIOS)інформаційна частина сектора випливає за адресною і може мати різну довжину (стандартна довжина складає 512 б). Адресне й інформаційне поле сектора закінчується полем циклічного коду виправлення помилки (НЖД), або контрольною сумою виправлення помилки (НГД).

Початок кожної доріжки відзначається спеціальним ідентифікатором. Кожен запис (ідентифікатор початку доріжки, адреса сектора й інформаційна його частина) відзначається спеціальним адресним маркером, тобто ділянкою порушення синхронізації намагніченостей, що у свою чергу з високою точністю може бути ідентифікований спеціальною схемою, включеної в контролер диска.

Усередині корпуса накопичувача обертається з постійною швидкістю одна чи кілька пластин з алюмінієвого сплаву, розташованих пакетом одна над іншою.

При записі інформації на жорсткий диск протікаючий по котушці в голівці запису електричний струм створює на поверхні пластини намагнічені ділянки, що відповідають записуваним даним. Щоб прочитати інформацію з жорсткого диска, голівка читання конвертує намагнічені ділянки, що знаходяться на поверхні пластини, в електричний струм, посилюваний і преутворений для відновлення записаних блоків даних.

Жорсткі диски відрізняються від аудіострічки в першу чергу тим, як записуються дані. На стрічку звук записується у виді аналогового потоку, що постійно змінюється . У вінчестері дані записуються як електричні сигнали. Ці сигнали являють собою цифрові нулі й одиниці з двійкової системи числення.

Магнітне покриття на пластинах твердого диска складено з мікроскопічних зон, названих доменами. Кожен такий домен подібний маленькому магніту з двома полюсами (позитивним і негативним). Перед записом даних дисковод використовує голівки читання/запису для орієнтації доменів, що знаходяться на невеликій площі таким чином, щоб їхні магнітні полюси вказували в одному напрямку. Потім ці ж голівки застосовуються для запису даних. Якщо двійкова одиниця записується у виді області, позитивний полюс якої спрямований уліво, то нулю відповідає область, позитивний полюс якої спрямований вправо. При такому розкладі вінчестер використовує більш ефективний метод запису, названий змінною потоку. Як тільки дисковод повинний записати одиницю, голівки змінюють напрямок магнітного поля доменів на зворотне. Якщо ж на вінчестер надходить для запису нуль, голівки просто не змінюють напрямок поля.

Дані в накопичувачах на жорстких дисках записуються по доріжках (трекам), що представляють із себе концентричні окружності, що нумеруютсья починаючи з крайньої зовнішньої доріжки (нульової) до самої внутрішньої. Жорсткий диск - пристрій з довільним доступом до даних: він може зчитувати записані дані з будь-якого місця на диску й у будь-якому порядку.

Поверхня пластин організована таким чином, щоб вінчестер міг легко знайти дані. Концентричні треки розбиті на ділянки, названі секторами. Інформація записується спочатку на зовнішні треки відразу всіх пластин. Коли зовнішній трек заповнюється даними, голівки зміщаються до середини і починається запис на наступну вільну доріжку. Така стратегія значно підвищує продуктивність, оскільки голівки читання/запису можуть записати більше даних, залишаючись на одному місці, до переходу до наступного треку. Наприклад, якщо голівки читання/запису вінчестера з чотирма пластинами розташовані над треком 15, дисковод спочатку записує 15-й трек на обох сторонах усіх чотирьох пластин, перш ніж пересунути голівки ближче до середини на 16-й трек.

Незалежно від обраної конструкторами швидкості обертання, голівки ніколи не стосуються поверхні пластин, поки дисковод працює. Коли ви виключаєте комп'ютер, пластини перестають обертатися і голівки читання/запису обпадають на пластини, але відбувається це в спеціально відведеному місці - зоні паркування (landing zone), вилученої від області, на якій зберігаються дані. Якщо ж, не дай Боже, під впливом різкого удару чи від потрапляння частки пилу голівки торкнуться поверхні скажено обертових пластин, дуже ймовірне ушкодження голівок і/або магнітного шару, аж до відриву голівок від важеля-активатора. Данні, звичайно, будуть загублені, і, що ще неприємніше, у самому гіршому випадку дисковод навіть не буде підлягати відновленню. У сучасних удосконалених вінчестерах, утім, такі катастрофи рідкі, тому що вони надійно захищені від ушкоджень і забруднень і побудовані так, щоб витримувати ударні навантаження, у 70-100 разів перевищуючі силу гравітації (70-100 g).

Знайомство з будовою

Мотор сучасного вінчестера обертає закріплені на його шпинделі пластини проти годинникової стрілки зі швидкістю від 3,600 до 15,000 оборотів у хвилину (rpm). У застосовуваних настільних персональних комп'ютерах і робочих станціях жорстких дисках пластини обертаються увесь час, поки включене живлення машини, навіть якщо читання чи запис не відбувається. У портативних комп'ютерах, що живляться від батарей, мається кілька режимів економії енергії, що продовжують термін дії акумуляторів. Так, режим sleep означає, що жорсткий дисковод зупиняється через деякий час, якщо до нього не було звертань. Електроніка привода при цьому залишається включеною, щоб забезпечити швидке повторне включення, коли комп'ютер звернеться до диска.

Поверхня дискових пластин розбита на координати подібно географічній карті чи глобусу. Кожна пластина має дві сторони і, відповідно, два робітники поверхні. Звичайний вінчестер може мати більш 2,000 треків на дюйм (tracks per inch, tpi). Група треків із усіх робочих поверхонь, що відповідає визначеній позиції голівок, утворює циліндр. Для спрощення доступу до даних кожен трек розділений на індивідуально адресуємі сектори.

Процес створення на дискових поверхнях треків і секторів називається форматуванням, і майже усі жорсткі диски сьогодні поставляються виробниками в розміченому, тобто в відформатованому стані. Форматування диска забезпечує адресацію даних на робочих поверхнях пластин. У більшості систем, включаючи РС і Macintosh, сектори звичайно містять 512 байт даних користувача плюс адресну інформацію, призначену для електроніки вінчестера. Дисковий контролер, розташований на друкованій платі дисковода, використовує інформацію про форматування й адреси - подібно тому, як турист користується планом міста, - для знаходження шляху до даних від деякої поточної позиції. Без цих зведень ні контролер, ні операційна система комп'ютера не будуть знати, де записані дані і як їхній одержати.

У ранніх конструкціях вінчестерів число секторів на всіх треках було однаковим, а тому що довжина крайньої зовнішньої доріжки значно більше довжини самої внутрішній, на краях пластин місце витрачалося дуже непродуктивно. Число секторів, що вдавалося помістити на самій короткій доріжці, визначало число секторів на трек для всього диска. У сучасних вінчестерах застосовується техніка форматування, названа Multiple Zone Recording, що дозволяє помістити на поверхню пластини якнайбільше даних. Цей спосіб заснований на можливості варіювати число секторів у залежності від номера доріжки (відстані від краю) і її довжини. За рахунок розбивки зовнішніх треків на більше число секторів дані по диску розподіляються рівномірно, робочі поверхні використовуються більш ефективно і досягається велика ємність диска навіть при меншій кількості пластин.

При використанні схеми Multiple Zone Recording число секторів на треках типового 3.5-дюймового диска змінюється від 60 до 120. І не тільки ефективна ємність диска збільшується на 25% за рахунок цього способу форматування, але також прискорюється передача даних між диском і буфером. Тому що на зовнішніх треках записано більше байт інформації, при постійних обертах шпинделя вони зчитуються з більшою швидкістю.

Бриючий політ

Голівки читання/запису - найдорожча деталь жорсткого диска, і від їхніх характеристик найбільшою мірою залежать і конструкція, і продуктивність накопичувача. Незважаючи на високу вартість, конструкція голівки в цілому виглядає простою. Вона являє собою шматок магнітного матеріалу у формі букви "З" з маленьким відкритим зазором між кінцями. Котушка з проводу намотана навколо З-подібної серцевини й утворює електромагніт.

При записі на диск струм, що протікає по котушці, створює магнітне поле в робочому зазорі серцевини, що намагнічує покриття пластини в крапці, які знаходиться під голівкою. Коли дані зчитуються з диска, голівка читання/запису сприймає намагніченість покриття пластини, струм у котушці змінюється при проходженні під зазором голівки області з поверненим напрямком намагніченості.

У 1973 році висота ширяння голівок у середньому складала 0.4 мікрона. Сьогодні ж голівки знизилися усього до 0.06 мікрона, і це ще не межа. У перспективі, в не настільки уже віддаленому майбутньому голівки, можливо, навіть ввійдуть у контакт із поверхнею носія, дозволяючи ще щільніше розмістити дані на магнітному шарі пластин. Природно, якщо буде реалізований надійний спосіб, що усуває взаємне перенесення голівок і носія.