Накопитель на жестком магнитном диске. HDD. "винчестер".

HDD - это устройство, предназначенное для хранения и использования информации, основанное на дуралевых или стеклянных дисках с нанесенным на них ферромагнитным рабочим слоем. Конструктивно HDD представляет собой набор двухсторонних вращающихся дисков с нанесенным на обе стороны магнитным слоем, закрепленных на одной оси и с подведенными к ним головками чтения/записи.
Существует много различных типов накопителей на жестких дисках, но практически они состоят из одних и тех же основных узлов. Это:
- диски;
- головки чтения/записи;
- механизм привода головок;
- двигатель привода дисков;
- печатная плата со схемами управления;
- элементы конфигурации (перемычки и переключатели).

Диски, двигатель привода дисков, головки и механизм привода головок обычно размещаются в герметичном корпусе, который называется HDA (Head Disk Assembly - блок головок и дисков). Обычно этот блок рассматривается как единый узел и его почти никогда не вскрывают. Прочие узлы являются съемными.

Диски.

Обычно в накопителе содержится один или несколько магнитных дисков. В зависимости от конструкции диаметр дисков может быть разным: 5,25", 3,5", 2,5", 1,8". Существуют диски и больших размеров 8" и 14", но в ПК они не используются. Сейчас в настольных и некоторых портативных моделях чаще всего устанавливаются диски 3,5". В портативных в основном устанавливаются диски 2,5" и меньше.
Раньше почти все диски производились их алюминиевого сплава. Но со временем возникла погрешность в накопителях, в которых сочетались бы малые размеры и большая емкость. Поэтому в качестве основного материала для дисков стал использоваться сплав стекла и керамики.
Стеклянные диски отличаются большей прочностью и жесткостью, поэтому их можно сделать более чем в 2 раза тоньше алюминиевых. Кроме того, они менее восприимчивы к перепадам температур, т.е. их размеры при нагреве и охлаждении изменяются незначительно.
Основа диска покрывается тонким слоем вещества, способного сохранять остаточную намагниченность после воздействия внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным, и именно в нем сохраняется записанная информация.
Самыми распространенными являются два типа рабочего слоя: оксидный и тонкопленочный.
Оксидный слой представляет собой полимерное покрытие с наполнителем из окиси железа. Наносится оно путем разбрызгивания вещества на вращающийся диск. Под воздействием центробежных сил слой равномерно растекается по поверхности.
Тонкопленочное покрытие имеет меньшую толщину. Оно прочнее и качество его покрытия горазда выше. Эта технология легла в основу производства накопителей нового поколения, в которых удалось существенно уменьшить величину зазора между головками и поверхностью диска, что позволило повысить плотность записи. Наносится слой путем электролиза.

Головки чтения/записи.

В HDD для каждой из сторон каждого диска предусмотрена своя собственная головка. Все головки смонтированы на общем подвижном каркасе и перемещаются одновременно. Каждая головка установлена на конце рычага на пружине, слегка прижимающего ее к диску. Диск как бы зажат между парой головок. Когда накопитель выключен, головки касаются дисков под действием пружин. При раскручивании дисков аэродинамическое давление под головками повышается, и они отрываются от рабочих поверхностей. При полной скорости диска зазор между поверхностью диска и головкой составляет 0,08 - 0,12 мкм. Из-за малого размера этого зазора блок HDA можно вскрывать только в абсолютно чистых помещениях, т.к. любая пылинка может привести к ошибкам при считывании данных и даже столкновении головок с диском. Поэтому блоки HDA оснащаются специальными системами фильтрации и очистки воздуха.

Конструкция головок.

Первые головки представляли собой сердечники с обмоткой.Сердечник имеет пропиленный зазор, благодаря которому магнитное поле, наведенное в сердечнике, распространяется в окружающее пространство. По современ- ным меркам их размеры были огромные, а плотность записи чрезвычайно низкой. Сейчас используются головки следующих типов:
- ферритовые;
- с металлом в зазоре (MIG);
- тонкопленочные (TF);
- магниторезистивные (MR);

Ферритовые головки. Их сердечники делают на основе прессованного феррита. Они могут записывать и считывать. Ширина сердечника и магнитного зазора у этих головок меньше, чем у железных, что позволяет повысить плотность размещения дорожек записи.
С металлом в зазоре. Это усовершенствование ферритовых головок. У них креме рабочего зазора есть еще один - сзади. Второй зазор уменьшает склонность материала сердечника к магнитному насыщению, что позволяет повысить магнитную индукцию в рабочем зазоре и повысить плотность записи. Задний зазор или оба заполняются металлом. Ферритовые головки все равно имеют относительно большие размеры и вытесняются тонкопленочными.
Тонкопленочные головки. Они производятся почти по той же технологии, что и м/с, т.е. путем фотолитографии. В результате они получаются очень маленькими и легкими. Рабочий зазор в в таких головках можно сделать очень узким, причем его ширина регулируется в процессе производства путем наращивания дополнительных слоев не магнитного алюминиевого сплава. Сердечник делается из сплава железа и никеля, индукция насыщения которого в 2-4 раза больше, чем у феррита. Формируемые TF-головками участки остаточной намагниченности на поверхности диска имеют четко выраженные границы, что позволяет добиться очень высокой плотности записи. Небольшой вес и малые размеры головок позволяют значительно уменьшить просвет между ними и поверхностями дисков до 0,05 мкм. В результате увеличивается амплитуда сигнала и улучшается соотношение сигнал-шум в режиме считывания, т.е. увеличения достоверности считываемых данных. В настоящее время TF-головки используются в большинстве накопителей.
Магниторезистивные головки. Эти головки появились сравнительно недавно. Они разработаны фирмой IBM и позволяют добиться самых высоких значений плотности записи и быстродействия накопителей. В большинстве накопителей формата 3,5", емкость которых превышает 1 Гбайт, используются именно эти головки. Работа MR-головок основывается на том обстоятельстве, что сопротивление проводника под воздействием внешнего магнитного поля изменяется, хоть и незначительно. Следовательно будет изменяться, протекающий по нему ток и падение напряжения на нем. В отличии от тонкопленочной головки эта реагирует не на зону смены знака магнитного поля, а на значение постоянной остаточной намагниченности. Данная головка более чувствительна к магнитному полю,чем тонкопленочная, но поэтому требует дополнительного экранирования от внешних магнитных полей.
Поскольку на основе магниторезистивного эффекта можно построить только считывающее устройство, MR-головка состоит их двух: записывающей - тонкопленочной, считывающей- магниторезистивной. Для более устойчивого считывания данных зазор у записывающей головки делают больше, чем у считывающей.

Механизм привода головок.

С его помощью головки перемещаются от центра диска к его краям и устанавливаются на заданный цилиндр. Существуют приводы двух типов: - с шаговым двигателем; - с подвижной катушкой.

Шаговый двигатель - это электродвигатель, ротор которого может поворачиваться только ступенчато на строго определенный угол. Двигатель устанавливается вне HDA, но его вал проходит внутрь через отверстие с герметизирующей прокладкой. Шаговый двигатель механически связан с блоком головок с помощью стальной ленты либо зубчатой рейки. Головки перемещаются в соответствии с поданным на шаговый двигатель количеством импульсов. При каждом импульсе головки перемещаются на одну дорожку. Главный недостаток такой системы состоит в том, что по мере старения механизма накопителя или из-за влияния температуры взаимное расположение дисков и головок может изменяться, и головки перестанут попадать точно на цилиндр. Наведение головки на дорожку происходит вслепую, поскольку в системе не предусмотрено какого-либо сигнала обратной связи.

Привод с подвижной катушкой.

Привод с подвижной катушкой начал применяться в накопителях емкостью более 40 Мбайт. Привод работает по принципу электромагнетизма. Его конструкция напоминает конструкцию обычного громкоговорителя. В громкоговорителе подвижная катушка соединена с диффузором и может перемещаться в зазоре постоянного магнита. При протекании через катушку электрического тока она смещается вместе с диффузором относительно постоянного магнита. Переменный ток в катушке порождает переменные колебания диффузора и соответственно воздуха. Получается звук.
В данной конструкции привода подвижная катушка жестко соединена с блоком головок и размещается в поле постоянного магнита. При появлении в катушке электрического тока она также как и в громкоговорителе смещается относительно жестко закрепленного постоянного магнита, передви- гая при этом блок головок. Подобный механизм оказывается весьма быстродействующим и не столь шумным, как привод с шаговым двигателем.
В отличие от привода с шаговым двигателем, в устройствах с подвижной катушкой нет заранее зафиксированных положений. Вместо этого в них используется специальная система наведения, которая точно подводит головки к нужному цилиндру. Эта система называется сервоприводом, и основное ее отличие состоит в том, что для точного наведения головок используется сигнал обратной связи, несущий информацию о реальном взаимном расположении дорожек и головок. Колебание температур не сказывается на точности работы привода.
Для поиска конкретной дорожки используется заранее записанная на диске вспомогательная информация - сервокод. Сервокоды записываются на диск при сборке накопителя и не изменяются в течении всего срока эксплуатации. При обычных операциях записи и считывания удалить сервокоды невозможно. Это нельзя сделать и при низкоуровневом форматировании. Для управления приводами подвижной катушки в разное время использовались три способа построения петли обратной связи:
- со вспомогательным клином;
- со встроенными кодами;
- со специальным диском.

Основные их различия сводятся к тому, на каких участках поверх- ностей дисков записываются сервокоды.

Вспомогательный клин.

Такая система записи сервокодов использовалась в первых накопителях с подвижной катушкой. Сервокоды записывались в узком секторе каждого цилиндра непосредственно перед индексной меткой. Индексная метка обозначает начало каждой дорожки. Недостатком подобной системы является то, что сервокоды считываются только один раз при каждом обороте диска. Это означает, что во многих случаях для точного определения и коррекции положения головок диск должен совершить несколько оборотов.

Встроенные коды.

В данном случае сервокоды записываются не только в начале каждого цилиндра, но и перед началом каждого сектора. Это означает, что сигналы обратной связи поступают на схему привода несколько раз в течение одного оборота диска, и головки устанавливаются в нужное положение намного быстрее. Этот способ используется в большинстве современных накопителей.

Специализированный диск.

При данном способе сервокоды записываются вдоль всей дорожки, а не только один раз в ее начале или в начале каждого сектора. Одна из сторон одного из дисков выделяется исключительно для записи сервокодов. Данные на этой стороне не хранятся. Отличительный признак накопителя со специализированным диском - нечетное количество головок. Практически во всех накопителях большой емкости используется этот способ записи сервокодов.

Механизмы привода головок с подвижной катушкой бывают двух типов:
- линейный
- поворотный

Линейный привод перемещает головки по прямой линии, строго вдоль линии радиуса диска. Катушки располагаются в зазорах постоянных магнитов. Главное достоинство состоит в том, что при его использовании не возникают азимутальные погрешности, характерные для поворотного привода. (Под азимутом понимается угол между плоскостью рабочего зазора головки и направлением дорожки). При перемещении головок в одного цилиндра на другой они не поворачиваются, и их азимут не изменяется. Недостатком конструкции линейного привода является его большая масса. Это ограничивает ускорение перемещения с одного цилиндра на другой.
В поворотном приводе головки под действием магнитных катушек по- ворачиваются относительно оси. Перемещение головок в этом случае происходит не по прямой линии, а по радиусу. Благодаря небольшой массе, такая конструкция может двигаться с большими ускорениями, что позволяет существенно сократить время доступа к данным. К недостаткам этого привода следует отнести то, что при перемещении головок угол между плоскостью магнитного зазора головки и направлением дорожки изменяется. В пределе плоскость магнитного зазора может расположиться параллельно направлению дорожки. Именно поэтому ширина рабочей зоны диска оказывается ограниченной. В настоящее время поворотный привод используется почти во всех накопителях с подвижной катушкой.

Температурная калибровка и свипирование.

Во многих современных накопителях с приводом от подвижной катушки в процессе работы через определенные промежутки времени выполняется их температурная калибровка. Эта процедура заключается в том, что все головки поочередно переводятся с нулевого на какой-либо другой цилиндр. При этом с помощью встроенной схемы проверяется, насколько сместилась заданная дорожка относительно своего положения в предыдущем сеансе калибровки, и вычисляются необходимые поправки, которые заносятся в ОЗУ в самом накопителе.

Большинство накопителей, которые делают автоматическую температурную калибровку, выполняют также свипирование диска. Это автоматическое перемещение головок ближе к краю диска, если головка слишком долго остается неподвижной. При этом из-за большой линейной скорости диска просвет между головкой и диском тоже максимальный. Это уменьшает воздушное трение, которое может привести к преждевременному износу поверхности диска.

Автоматическая парковка головок.

При выключении питания поле, удерживающее головки над конкретным цилиндром, исчезает, и они начинают бесконтрольно скользить по поверхности еще не остановившихся дисков, что может стать причиной повреждения. Для предотвращения этого в современных накопителях при отключенном питании головки под воздействием возвратной пружины перемещаются в зону парковки (чаще всего к центру) до того, как диски остановятся.

Воздушные фильтры.

В накопителях используется два воздушных фильтра: рециркуляции и барометрический. Фильтр рециркуляции предназначен только для очистки внутренней атмосферы от небольших осыпающихся частиц рабочего слоя. Барометрический фильтр необходим для выравнивания давления воздуха изнутри и наружи блока. Именно потому, что жесткие диски не являются полностью герметичными фирмы- изготовители указывают для них диапазон высот над уровнем моря, в котором они сохраняют работоспособность. Обычно от -300 до +3000 м. Для некоторых моделей 2000 м. В разряженном воздухе просвет между головкой и диском слишком мал.



Акклиматизация жестких дисков.

Барометрический фильтр не препятствует проникновению влаги внутрь блока. Если влага начнет конденсироваться внутри блока и в это время включить питание ПК, то это может привести к серьезной неисправности накопителя. Конденсация влаги происходит, если внести накопитель из холода в тепло. Поэтому в инструкции по эксплуатации задано время, в течение которого нельзя включать накопитель.

Двигатель привода дисков.

Двигатель, приводящий во вращение диски напрямую связан с осью вращения дисков. Никакие ремни и шестерни при этом не используются, так как любые вибрации передаются дискам и могут привести к ошибкам. Частота вращения дисков строго определенная от 3600 до 7200 об/мин. Для ее стабилизации используется схема управления двигателем с обратной связью (автоподстройкой).

Параметры HDD.

Количество цилиндров. Каждая сторона диска накопителя разбита на концентрические окружности - дорожки. Дорожки нумеруются от периферии к центру, начиная с 0. Так как головки двигаются все одновременно, то говорят не о дорожках, а о цилиндрах, объединяющие дорожки с одинаковыми номерами.
Количество секторов. Каждая сторона дисков разбита на сектора линиями, идущими от периферии к центру по радиусу. Сектора нумеруются по порядку, начиная с 1. На каждую дорожку в секторе можно записать 512 байт данных. В начале каждого сектора имеется заголовок, за которым следует поле данных и поле контрольного кода данных. В заголовке имеется поле идентификатора, включающее номер цилиндра, головки и собственно сектора. Здесь же может содержаться пометка о дефектности сектора, служащая указанием на невозможность его использования. Заголовки секторов записываются только во время низкоуровневого форматирования.
Коэффициент чередования секторов (Interliving). При считывании информации с дорожки сектора может случиться так, что пока контроллер обрабатывает считанные данные, головка уже пройдет часть следующего сектора. И, чтобы сосчитать с него информацию, необходимо диску сделать полный оборот. Чтобы уменьшить время доступа к информации, секторы нумеруются не по порядку, а через один, два, три. В старых типах HDD правильный коэффициент чередования значительно уменьшал время доступа. В современных HDD он не имеет значения, так как контроллер считывает данные в буфер и соседнего сектора на "всякий случай". Поэтому коэффициент чередования в современных HDD всегда равен 1:1.
Многократная зонная запись. Один из способов повышения емкости HDD заключается в разбиении внешних цилиндров на большее количество секторов по сравнению с внутренними цилиндрами, так как длина дорожки во внешнем секторе больше, чем у центра. При зонной записи цилиндры разбиваются на зоны. В каждой зоне свое количество секторов. В первых накопителях, работающих с внешними по отношению к ним контроллерами, зонную запись организовать нельзя, поскольку не существует стандартного способа передачи информации о зонах от накопителя к контроллеру. В современных накопителях контроллеры являются встроенными поэтому отдельные дорожки можно разбить на различное количество секторов. Во встроенных контроллерах реальные номера цилиндров, головок и секторов преобразуются в логические таким образом, чтобы создать видимость того, сто все дорожки имеют одинаковое число секторов. Такая процедура необходима, так как BIOS ПК рассчитана на работу с единым числом секторов на дорожку по всему накопителю.
Объем HDD. Общий объем получается автоматически при задании коли чества цилиндров, головок и секторов. Его можно рассчитать по формуле: SIZE(байт) = количество головок*цилиндров*секторов*512 байт.
Парковка головок.(LZone). Здесь указывается на какую дорожку будут опускаться головки при выключении HDD. В современных HDD введена автоматическая парковка головок на последний цилиндр, поэтому этот параметр не имеет значения и устанавливается 65535.

Хранение информации на магнитных дисках.

Для записи цифровой информации, пришедшей от МП, на диск она должна быть преобразована (модулирована) контроллером в последовательный код, который должен включать в себя и сигналы синхронизации.
В первых моделях накопителей использовалась частотная модуляция FM. Здесь для каждого бита данных на дорожке отводилась ячейка для представления бита данных и синхросигнала, что весьма неэффективно расходует свободное место для информации.
Более эффективна модифицированная частотная модуляция MFM, в которой синхросигнал вводится только при кодировании подряд следующих нулевых бит, что позволяет удвоить плотность записи.
Самым популярным на сегодняшний день является кодирование с ограничением длины поля записи RLL. Он позволяет разместить на диске в полтора раза больше информации, чем при записи по методу MFM. При использовании этого метода происходит кодирование не отдельных битов, а целых групп, в результате чего создаются определенные последовательности зон смены знака.

Типы винчестеров.

По типу HDD делятся на: MFM, RLL, ESDI. IDE, SCSI.

MFM винчестеры. Сегодня уже не устанавливаются в ПК. Здесь прежде всего известны два винчестера фирмы Seagate: ST225 21.4 Мбайта и временем обращения 65 мс и ST251 42,8 Мбайт, 28 мс. Это винчестеры 5,25" и половинной высоты. Используют MFM-кодировку. Имеют 17 секторов. Подсоединяются к контроллеру 34-жильным кабелем управления и 20-жильным данных.
RLL винчестеры. Отличаются от MFM тем, что используют RLL-кодировку - это сразу увеличивает емкость на 50%, имеют 26 секторов, в названии на конце стоит индекс R. Например, ST238R. Подключение к контроллеру такое же, как у MFM.
ESDI винчестеры. Обычно это винчестеры 5,25" полной высоты. Используют ARLL-кодировку. Имеют до 53 секторов. Емкость превышает 100 Мбайт. Электронные схемы управления преобразованием и записью/считыванием располагаются не на контроллере, а непосредственно на печатной плате винчестера. Таким образом, данные передаются по кабелю уже в цифровом виде, что увеличивает скорость их передачи. Подсоединяется двумя кабелями, как и предыдущие. Имеют литеру Е после номера типа. Контроллер оборудован отдельным BIOS и в Setup объявляется как неустановленный.
IDE винчестеры. (Cтандарт АТА)Это жесткий диск со встроенным контроллером в плату накопителя. При этом плата, которая является промежуточной между системной шиной ПК и HDD представляет собой довольно простое устройство, содержащее дешифратор базовых адресов контроллера и формирователя сигналов интерфейса. Винчестер соединяется с платой 40-контактным разъемом. В HDD используется ARLL-кодировка и зонное распределение секторов, поэтому его низкоуровневое форматирование не производится. Данный интерфейс позволяет подключить два HDD. При установке двух IDE HDD они должны конфигурироваться с помощью джамперов на их платах следующим образом: первый загрузочный должен быть установлен как Master, а второй - как Slave.
SCSI-винчестеры по скорости обмена данными самые быстрые. SCSI это не дисковый, а системный интерфейс. В этом случае существует главный HOST-адаптер, который может управлять не только винчестером, но и всеми периферийными устройствами, которые подключены к нему и поддерживают протокол SCSI. Это могут быть CD-ROM, сканеры, стриммеры и т.п. Всего 7. В этом случае каждому периферийному устройству присваивается логический номер для определения его HOST-адаптером и установления связи с ним. У HOST-адаптера есть свой BIOS, поэтому в CMOS Setup он указывается как не установленный. SCSI диски можно узнать по 50-жильному плоскому кабелю. В зависимости от фирмы изготовителя в конце типа стоит литера H или S.

Памяти на гибких магнитных дисках. FDD.

Есть два типа накопителей на гибких магнитных дисках, различающихся по диаметру применяемых дискет: 5,25" и 3,5". По плотности записи различают следующие типы дискет:

SD (Single Density) - одинарная плотность. Давно устаревший тип.
DD (Double-Density) - двойная продольная плотность. Стандартные дискеты 360 Кб
QD (Quadr-Density) - двойная продольная плотность с удвоенным количеством треков 720 Кб.
HD (High-Density) - высокая плотность. Стандартные дискеты 1,2 и 1,44 Мбайт.
ED (Extra-High-Dtnsity) - сверхвысокая плотность 2,88 Мбайт.

Дискеты при форматировании разбиваются на дорожки и сектора. Каждая дискета имеет ключ защиты от записи. Причем у дискет 5,25" окно надо заклеить, а у дискет 3,5" - открыть. На дискете есть отверстие, которое указывает на начало дорожки.Есть стандартные и не стандартные форматы дискет. Стандартные форматы - это те, которые доступны без до- полнительных драйверов. Не стандартные форматы - это те, которые доступны после загрузки драйвера типа 800.com. Для дискет 5,25" стандартными являются форматы 360 Кб и 1,2 Мб. Для дискет 3,5" стандартными являются форматы 720 Кб, 1,44 Мб, 2,88 Мб.
Дисковод состоит из двигателя вращения диска, двух головок, шагового двигателя для передвижения головок от цилиндра к цилиндру, схемы управления считывания и записи информации. Информация декодируется на плате адаптера. Все НГМД применяемые в РС независимо от типа и размера имеют одинаковый интерфейс и унифицированные 34-контактные разъемы двух типов: с печатными двусторонними ламелями у 5"-устройств и двухрядными штырьковыми контактами у 3"-устройств. Используемый в РС кабель-шлейф имеет перевернутый фрагмент из 7 проводов с номерами 10-16. Этот поворот позволяет подключать к контроллеру одним шлейфом до двух НГМД, причем адрес накопителя определяется его положением на шлейфе. Для привода А фрагмент перевернут, для В - нет. Современные версии BIOS Setup имеют опцию Seap Floppy, при включении которой дисководы А и В меняются местами без переключения кабеля. Контроллер накопителей на гибких дисках i8272 является всегда внешним по отношению к накопителю и обычно располагается на одной плате с контроллером или адаптером жестких дисков.