Винчестер
34
Структура дорожки на дисках
Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич
35
Винчестер
Жесткий диск (винчестер) – основной вид накопителя, которым оснащаются почти все настольные компьютеры. Смонтирован на
оси-шпинделе, приводимой в движение специальным двигателем. Он содержит от одного до десяти дисков (platters), которые делятся на цилиндры, а цилиндры – на дорожки .
Наиболее важной частью любого накопителя являются головки чтения-записи (read-write head).
Как правило, они находятся на специальном позиционере (head actuator). Для перемещения позиционера используются преимущественно линейные двигатели.
В винчестерах применяются несколько типов головок: монолитные, композитные, тонкопленочные, магниторезистивные (MR, Magneto-Resistive), а также головки с усиленным магниторезистивным эффектом (GMR, Giant Magneto-Resistive) (их название часто ошибочно переводят как «гигантские магниторезистивные», хотя сами головки как раз стали меньше).
Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич
36
Винчестер
Магниторезистивная головка, разработанная IBM в начале 90-х годов, представляет собой комбинацию из двух головок: тонкопленочной для записи и магниторезистивной для чтения.
Подобные головки позволяют почти на 50% увеличить плотность записи на носителе. Еще больше позволяют повысить плотность записи GMR-головки, технологией производства которых владеет пока только IBM.
Внутри любого винчестера обязательно находится печатная плата с электронными компонентами, которые необходимы для нормального функционирования устройства привода. Эта электроника
расшифровывает команды контроллера жесткого диска, стабилизирует скорость вращения двигателя, генерирует сигналы для головок записи и усиливает их от головок
чтения и т. п. Для передачи сигналов между адаптером шины и жестким диском (контролером) предназначен 40-контактный ленточный кабель.
Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич
37
Винчестер
Винчестеры и Флэш Драйв UCB (дан для сравнения размеров)
Внешний
винчестер компании Seagate емкостью 160 Гб
Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич
38
Дисковые накопители
Основной механизм дисковых накопителей выглядит так:
Слой носителя информации – магнитный, оптический или, возможно, другой нанесен на рабочие поверхности дисков.
Диски вращаются с помощью шпинделя, приводимого в движение двигателем, который обеспечивает требуемую частоту вращения в рабочем режиме.
На диске имеется индексный маркер, который, проходя мимо специального датчика, отмечает начало каждого оборота диска.
Информация на диске располагается на концентрических треках
(дорожках), нумерация которых начинается с внешнего трека (Track 00).
Каждый трек разделен на секторы фиксированного размера. Сектор и является минимальным блоком информации, который может быть записан на диск или считан с диска.
Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич
39
Дисковые накопители
Нумерация секторов начинается с 1 и привязывается к индексному маркеру.
Каждый сектор имеет служебную область, содержащую адресную информацию, контрольные коды и некоторую другую информацию, и область данных, размер которой традиционно составляет 512 байт.
Если накопитель имеет несколько рабочих поверхностей (на шпинделе м. б. размещен пакет дисков, а у каждого диска м. б. использованы две поверхности), то совокупность всех треков с одинаковыми номерами составляет цилиндр.
Для каждой рабочей поверхности в накопителе имеется своя головка (Head), обеспечивающая запись и чтение. Головки нумеруются начиная с 0.
Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич
Дисковые накопители
40
Для того, чтобы произвести элементарную операцию обмена – запись или чтение сектора – шпиндель должен вращаться с заданной скоростью, блок головок должен быть подведен к требуемому цилиндру, и только тогда требуемый сектор подойдет к выбранной головке, начнется физическая операция обмена данными между головкой и блоком электроники накопителя.
Контроллер накопителя выполняет сборку и разборку блоков информации (секторов или целых треков), включая формирование и проверку контрольных кодов, осуществляет модуляцию и демодуляцию сигналов головок и управляет всеми механизмами накопителя.
Скорость вращения у дисков различна – 4200 об./мин и выше. Высокие скорости вращения порождают проблемы с балансировкой, гироскопическим эффектом и аэродинамикой головок.
Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич
Дисковые накопители
41
Для магнитных головок весьма критичным является расстояние от головки до поверхности магнитного слоя носителя.
В НГМД в нерабочем положении головка поднята над поверхностью диска на несколько мм, а в рабочем прижимается к поверхности диска специальным электромагнитным приводом.
Однако непосредственный контакт с поверхностью допустим лишь при малых скоростях движения носителя.
В накопителях с высокой скоростью вращения головки поддерживаются на микроскопическом расстоянии от рабочей поверхности аэродинамической подъемной силой.
«Падение» головки на рабочую поверхность, которое произойдет, если диск остановится, может повредить как головку, так и поверхность диска.
Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич
42
Дисковые накопители
Чтобы этого не происходило, в нерабочем положении головки «паркуются», т.е. отводятся в нерабочую зону, где допустимо их «приземление».
В современных накопителях парковка осуществляется автоматически при снижении напряжения питания или скорости вращения шпинделя ниже допустимого значения.
Кроме того, контроллер современных дисков не выпустит головок из зоны парковки, пока шпиндель не наберет заданных оборотов.
Высота «полета» головки должна выдерживаться довольно строго, иначе магнитные поля головок будут «промахиваться» мимо рабочего слоя.
Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич
Дисковые накопители
43
Для позиционирования головок на нужный цилиндр в современных накопителях применяется привод головок с подвижной катушкой.
В таком приводе блок головок связан с катушкой индуктивности, помещенной в магнитное поле постоянного магнита.
При протекании тока через катушку на нее начинает действовать сила, пропорциональная силе тока, которая вызовет перемещение катушки, а, следовательно, и блока головок.
Привод, обеспечивающий точное позиционирование по сигналу обратной связи, называется сервоприводом.
Управление сервоприводом может быть оптимизировано по времени установления головок на требуемую позицию: когда отклонение от заданного положения велико, можно подавать больший ток, вызывающий большое ускорение блока. По мере приближения ток уменьшается. Такая система привода позволяет сократить время доступа до единиц милисекунд и менее.
Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич