Принципи роботи накопичувачів на жорстких дисках

У накопичувачах на жорстких дисках дані записуються і прочитуються універсальними головками читання/запису з поверхні магнітних дисків, що обертаються, розбитих на доріжки і сектори (512 байт кожен), як показано на рис. 7.2. У накопичувачах звичайно встановлюється декілька дисків, і дані записуються на обох сторонах кожного з них. У більшості накопичувачів є щонайменше два або три диски (що дозволяє виконувати запис на чотирьох або шести сторонах), але існують також пристрої, що містять до 11 і більш дисків.

Однотипні (однаково розташовані) доріжки на всіх сторонах дисків об’єднуються в циліндр (рис. 7.3.). Для кожної сторони диска передбачена своя доріжка читання/запису, але при цьому всі головки змонтовані на загальному стрижні, або стійці. Тому головки не можуть переміщатися незалежно один від одного та рухаються тільки синхронно.

Швидкість роботи того або іншого жорсткого диска залежить від частоти його обертання, швидкості переміщення системи головок і кількості секторів на доріжці. При нормальній роботі жорсткого диска головки читання/записи не торкаються дисків (і не повинні торкатися!). Але при виключенні живлення і зупинці дисків вони опускаються на поверхню. Під час роботи пристрою між головкою та поверхнею диска, що обертається, утворюється дуже малий повітряний зазор (повітряна подушка). Якщо в цей зазор потрапить порошинка або відбудеться струс, головка “зіткнеться” з диском, що обертається “на повному ходу”. Якщо удар буде достатньо сильним, відбудеться поломка головки. Наслідки цього можуть бути різними – від втрати декількох байтів даних до виходу з ладу всього накопичувача. Тому в більшості накопичувачів поверхні магнітних дисків легують і покривають спеціальними мастилами, що дозволяє пристроям витримувати щоденні “зльоти ” і “приземлення ” головок, а також серйозніші потрясіння.

Принцип роботи магніто-резистивної головки (MR) при зчитуванні даних міститься у помітному змінені опору протікаючому електричному струму при зміні напруженості магнітного поля. Елемент зчитування головки представляє собою надтонку плівку зі спеціального матеріалу, який змінює опір в залежності від орієнтації магнітних доменів на поверхні обертаючого диску. Орієнтація доменів визначається тим, який біт (0 або 1) записаний в даний момент.

Канал зчитування даних безперервно пропускає струм через головку, і тому зміна опору плівки миттєво регіструється. Дані надходять у спеціальний компаратор, який кінцево визначає, який біт був зчитаний, і далі направляє сформований сигнал нуля або одиниці.

Опір плівки, який знаходиться в магніто-резистивній головці, має певну залежність від температури нагрівання. У нормальних умовах, при оберненому до робочих обертів диску, повітряний потік при піднімає головку над диском і вона парить на відстані в декілька мікрометрів над гладкою поверхнею. Якщо ж всередину диска потраплять частки розміром, що дорівнюють розміри зазору між головкою і поверхнею, то вони, проносячись з великою швидкістю, торкаються головки і миттєво розігріють її за рахунок тертя. Такий нагрів різко підвищує опір плівки. Канал зчитування не може вірно інтерпретувати зміну опору, і відбувається збій.

При записі головки здатні намагнічувати маленьку ділянку поверхні диску – таким чином інформація записується (кодується) шляхом зміни поляризації.

Постійний вплив температури завчасно виводить головку з ладу, а частки діють як образив. Здатність головки реагувати на зміну магнітного поля погіршується з часом.

Розрізнити, які технології застосовані в конкретній моделі жорсткого диску, можна по відношенню ємкості та числа пластин. Рекомендуються придбати жорсткі диски з найвищою питомою щільністю – менша кількість пластин спрощує механіку і підвищує надійність роботи, а також знижує вартість.

Для підключення жорстких дисків в комп’ютерах використовуються декілька типів інтерфейсів, зазвичай це інтерфейс IDE (Integrated Drive Electronics), він же – AT-BUS, ATA1 і його модернізації Ultra ATA з різноманітними тактовими частотами, послідовний інтерфейс Serial ATA, інтерфейс SCSI.

Інтерфейс SCSI застосовується, в основному, тільки в серверах. Найбільшого ефекту від застосування інтерфейсу SCSI можна досягнути тільки в багатозадачних операційних системах, коли необхідно одночасно виконувати декілька складних додатків або при масових запитах до даних на пристроях зберігання. Пропускна здатність такого інтерфейсу 160 Мб/с. Однією з переваг SCSI є можливість підключення до комп’ютера значної кількості пристроїв, які вимагають для своєї роботи широкого каналу передачі даних.

Специфікація IDE визначає, що на системній платі встановлений контролер IDE-интерфейсу з двома однаковими каналами, до кожного з яких можна підключити до двох рівноправних пристроїв. Тобто в персональному комп’ютері може одночасно працювати до чотирьох вінчестерів. Для збільшення підключення IDE-пристроїв можна використовувати додаткові плати IDE-контролерів, які встановлюються в слот PCI. Для інтерфейсу IDE використовується кабель з 40-контактними роз’ємами і довжиною не більше 46 см (18 дюймів).

Послідовний інтерфейс Serial ATA звільняє комп’ютер від проблем, які притаманні інтерфейсу IDE. В першу чергу – це співставлення продуктивності та розрядності шини PCI і накопичувачів на жорстких магнітних дисках. Крім того, внутрішній простір в корпусі персонального комп’ютера кардинально вивільниться від двох IDE-шлейфів, які створюють незручності – їх складно підключити, так як приходиться працювати навмання, а великі габарити заважають нормальному охолодженню процесора і мікросхем, встановлених на системній платі тощо. Замість кабелю з 80 провідниками використовується тонкий коаксіальний дріт довжиною до 1 м, по якому дані передаються у вигляді окремих бітів різницею і рівнях напруги усього 0,5 В. В роз’єми живлення запропоновано використовувати 5 ліній. Ще однією перевагою інтерфейсу Serial ATA є те, що зменшилися габарити роз’ємів.

На ринку запропоновані перехідники, які дають змогу користувачами сумісно використовувати пристрої з інтерфейсами IDE і Serial ATA. Тобто можна підключити вінчестер з інтерфейсом Serial ATA до будь-якої старої системної плати, а до системної плати з інтерфейсом Serial ATA підключити традиційний вінчестер.