Общие технические характеристики НГМД

1. Среднее время доступа t_ср (в миллисекундах) оценивается по следующему выражению:

t_ср = (N – 1)*t₁/3 + t₂

где N – число дорожек на рабочей поверхности гибкого диска;

t₁ – время перемещения магнитной головки с дорожки на дорожку, мс;

t₂ – время успокоения системы позиционирования, мс.

2. Допустимое количество сбоев при считывании – не более одного сбоя на 10⁹ считанных битов и не более одной ошибки при поиске информации на 10⁶ поисков.

3. Параметры надежности предусматривают наработку на отказ не менее 10 000 ч в режиме типового использования при среднем сроке службы НГМД не менее 5 лет.

УЭ № 4. Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД).

1.История создания НЖМД. Термин «винчестер» появился в 60-е годы (1956 г), когда IBM выпустила высокоскоростной накопитель с одним несъемным и одним сменным дисками емкостью по 30 Мбайт. Этот накопитель состоял из пластин, которые вращались с высокой скоростью, и «парящих» над ними головок, а номер его разработки – 30-30. Такое цифровое обозначение (30-30) совпало с обозначением популярного нарезного оружия Winchester, поэтому термин винчестер вскоре стал применяться в отношении любого стационарно закрепленного жесткого диска.

Еще одна история повествует о том, что данное устройство получило название винчестер, потому что технология плавающей головки была разработана лабораторией IBM в Англии, в городе Винчестере.

2. Компоненты НЖМД. Существует много различных типов накопителей на жестких дисках, но практически все они состоят из одних и тех же основных узлов. Конструкции этих узлов, а также качество используемых материалов могут быть различными, но основные их рабочие характеристики и принципы функционирования одинаковы.

К основным элементам конструкции типичного накопителя на жестком диске (рис. 12) относятся следующие:

• диски;

• головки чтения/записи;

• механизм привода головок;

• двигатель привода дисков;

• печатная плата со схемами управления;

• кабели и разъемы;

• элементы конфигурации (перемычки и переключатели).

Диски, двигатель привода дисков, головки и механизм привода головок обычно размещаются в герметичном корпусе (блок HDA). Обычно этот блок рассматривается как единый узел; его почти никогда не вскрывают. Прочие узлы (печатная плата, лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными.

Конструктивно накопитель выполняется в частично герметизированном закрытом корпусе, состоящем из основания и крышки. Корпус предназначен для защиты магнитных дисков и головок от проникновения внутрь пыли и других нежелательных воздействий окружающей среды.

Поскольку для создания «сверхчистой» среды внутри корпуса обеспечивается фильтрация воздуха до частиц диаметром порядка 0,3 мкм, то вероятность возникновения погрешностей при записи или считывании информации из-за попадания частиц между головкой и носителем сводится к минимуму.

Воздушные фильтры

Почти во всех накопителях на жестких дисках используется два воздушных фильтра (они располагаются внутри корпуса и не подлежат замене в течение всего срока службы накопителя):

– фильтр рециркуляции – для очистки внутренней «атмосферы» от небольших частиц рабочего слоя носителя, а также от любых других мелких частиц, которые могут проникнуть внутрь корпуса;

– барометрический фильтр – предназначен для очистки воздуха, поступающего из вне (это необходимо для выравнивания давления изнутри и снаружи блока).

Акклиматизация жестких дисков

Барометрический фильтр не препятствует проникновению влаги внутрь блока HDA, поэтому по прошествии некоторого времени влажность воздуха внутри блока будет такой же, как и снаружи. Если влага начнет конденсироваться внутри блока HDA и в это время будет включено питание компьютера, то возникнут серьезные проблемы.

В инструкциях по эксплуатации большинства жестких дисков приводятся таблицы или графики их акклиматизации при изменении условий окружающей среды (температуры и влажности). Особенно важно соблюдать эти условия при внесении накопителя с холода в теплое помещение, поскольку в такой ситуации конденсация влаги практически неизбежна.

Диски

Обычно в накопителе содержится один или несколько магнитных дисков. Наиболее распространенными являются устройства с дисками следующих диаметров:

• 3,5 дюйма (на самом деле – 95 мм, или 3,74 дюйма);

• 2,5 дюйма (на самом деле – 65 мм, или 2,56 дюйма);

• 1 дюйм (на самом деле – 34 мм, или 1,33 дюйма).

Раньше почти все диски производились из алюминиевого сплава, довольно прочного и легкого. Сейчас в качестве основного материала для дисков стало использоваться стекло, а точнее, композитный материал на основе стекла и керамики. Стеклянные диски отличаются большей прочностью и жесткостью, поэтому их можно сделать в два раза тоньше алюминиевых (а иногда еще тоньше), они менее восприимчивы к перепадам температур, т.е. их размеры при нагреве и охлаждении изменяются весьма незначительно.

Независимо от того, какой материал используется в качестве основы диска, он 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.

Поверх магнитного слоя на диск наносится очень тонкое (порядка 0,025 мкм) углеродное защитное покрытие, обладающее исключительной прочностью.

В большинстве накопителей устанавливается минимум два диска, хотя в некоторых малых моделях бывает и по одному. Количество дисков ограничивается физическими размерами накопителя, а именно высотой его корпуса. Самое большое количество дисков в накопителях формата 3,5 дюйма может быть 10 – 11.

Дорожки и секторы

Количество секторов на дорожках может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа накопителя (от 380 до 700). Секторы, создаваемые с помощью стандартных программ форматирования, имеют емкость 512 байт.

Полный адрес сектора в дисковом пакете состоит из трех частей: номера цилиндра, номера магнитной головки и номера сектора на дорожке.

Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, в отличие от головок и цилиндров, отсчет которых ведется с нуля.

Однотипные (одинаково расположенные, с одним и тем же номером) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (рис. 14).

Рис. 14. Дорожки, секторы, цилиндры жесткого диска

В жестких дисках используется так называемая зонная запись с переменным количеством секторов на дорожке. Дорожки, более удаленные от центра, а значит, и более длинные, содержат большее число секторов, чем близкие к центру (рис. 15).

Возможное количество зон зависит от типа накопителя; в большинстве устройств их бывает 10 и более (рис. 16).

		Рис. 15
			Рис. 16

Частота вращения дисков НЖМД составляла 3600 об/мин (т.е. в 10 раз больше, чем в накопителе на гибких дисках) и до последнего времени была почти стандартом для жестких дисков. Но в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла до 5 400, 7 200, 10 000 и даже 15 000 об/мин.

Головки

При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков (т.е. используется бесконтактный способ записи). Но при выключении питания и остановке дисков они опускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка «столкнется» с диском, вращающимся «на полном ходу». Если удар будет достаточно сильным, произойдет поломка головки. Последствия этого могут быть разными – от потери нескольких байтов данных до выхода из строя всего накопителя. Поэтому в большинстве накопителей поверхности магнитных дисков легируют и покрывают специальными смазками, что позволяет устройствам выдерживать ежедневные «взлеты» и «приземления» головок, а также более серьезные потрясения.

В накопителях на жестких дисках для каждой из сторон каждого диска предусмотрена собственная головка чтения/записи. Все головки смонтированы на общем подвижном каркасе и перемещаются одновременно. Каждая головка установлена на конце рычага, закрепленного на пружине и слегка прижимающего ее к диску. Диск как бы зажат между парой головок (сверху и снизу).

Когда накопитель выключен, головки касаются дисков под действием пружин. При раскручивании дисков аэродинамическое давление под головками повышается, и они отрываются от рабочих поверхностей («взлетают»). Когда диск вращается на полной скорости, зазор между ним и головками может составлять 0,5-5 микродюймов (0,01-0,5 мкм) и даже больше.

По мере развития технологии производства дисковых накопителей совершенствовались и конструкции головок чтения/записи.

Рассмотрим типы головок, применяемые в накопителях на жестких дисках:

• ферритовые – делаются на основе прессованного феррита (на основе окиси железа); + может использоваться как для записи, так и для считывания, дешевизна; – большие габариты;

• тонкопленочные (TF) – производятся почти по той же технологии, что и интегральные схемы; + дешевизна, малые габариты; - высокая чувствительность к помехам;

• с металлом в зазоре (MIG) – усовершенствованная ферритовая головка; + позволяют формировать намагниченные участки с более четко выраженными границами;

• магниторезистивные (MR) – используют магниторезистивный эффект; + позволяют записывать и считывать информацию, записанную с высокой плотностью, – дороже и сложнее других типов головок.

Механизмы привода головок

Одной из важнейших деталей накопителя является механизм, который устанавливает их в нужное положение и называется приводом головок, он определяет быстродействие и надежность накопителя, достоверность считывания данных, его температурную стабильность, чувствительность к выбору рабочего положения и вибрациям.Именно с его помощью головки перемещаются от центра к краям диска и устанавливаются на заданный цилиндр. Существует много конструкций механизмов привода головок, но их можно разделить на два основных типа:

• с шаговым двигателем (Рис.17). Шаговый двигатель обеспечивает линейное перемещение головки на фиксированное расстояние (шаг дорожки) при получении каждого импульса системы управления и, базируясь на механической точности, обеспечивает позиционирование головки на нужное место. Обратной связи в системе нет, трудно учесть расширение и сокращение материалов, поэтому возникают ограничения по плотности записи и корректному считыванию информации;

• с подвижной катушкой (динамический привод, рис.18). В жестких дисках с динамическим приводом система управления по обратной связи постоянно получает информацию о местоположении головки. Система определяет местоположение головки путем постоянного чтения специальных данных, записанных на определенном участке диска – сервоповерхности. Изменяя специальные данные на сервоповерхности, можно сформатировать большее число дорожек на диске. Прецизионно выполненные элементы механизмов привода и головки позволяют добиваться высокой плотности записи информации на магнитных дисках.

Автоматическая парковка головок

Одним из преимуществ привода с подвижной катушкой является автоматическая парковка головок. Чтобы в накопителях с приводом от подвижной катушки привести в действие механизм парковки головок, достаточно просто выключить компьютер; никакие специальные программы для этого не нужны. В случае внезапного исчезновения питания головки паркуются автоматически.

Двигатель привода дисков

Двигатель, приводящий во вращение диски, часто называют шпиндельным (spindle). Шпиндельный двигатель всегда связан с осью вращения дисков, никакие приводные ремни или шестерни для этого не используются. Двигатель должен быть бесшумным: любые вибрации передаются дискам и могут привести к ошибкам при считывании и записи.

Частота вращения двигателя должна быть строго определенной, а для ее стабилизации используется схема управления двигателем с обратной связью (автоподстройкой), позволяющая добиться желаемой точности. Таким образом, контроль за частотой вращения двигателя осуществляется автоматически, и никакие устройства, позволяющие сделать это вручную, в накопителях не предусмотрены. В большинстве накопителей шпиндельный двигатель располагается в внутри корпуса и представляет собой центральную часть блока дисков-носителей. Такая конструкция позволяет, не изменяя размера накопителя по вертикали, увеличить количество дисков в блоке (в «стопке»).

Плата управления

В каждом накопителе, в том числе и на жестких дисках, есть хотя бы одна плата. На ней монтируются электронные схемы для управления шпиндельным двигателем и приводом головок, а также для обмена данными с контроллером (представленными в заранее оговоренной форме). В IDE-накопителях контроллер устанавливается непосредственно в накопителе, а для SCSI-накопителей необходимо использовать дополнительную плату расширения.

Довольно часто неисправности возникают не в механических узлах накопителей, а в платах управления. Поэтому многие неисправные накопители можно отремонтировать, заменив лишь плату управления, а не все устройство. Снимать и заменять платы управления очень просто, поскольку они подключаются к накопителям с помощью разъемов и крепятся стандартными винтами.

Кабели и разъемы накопителей

В большинстве накопителей на жестких дисках предусмотрено несколько интерфейсных разъемов для подключения к системе, подачи питания, а иногда и для заземления корпуса. В большинстве накопителей есть по меньшей мере три типа разъемов:

• интерфейсный разъем (или разъемы) – через них передаются данные и команды в накопитель и обратно;

• разъем питания – используются два напряжения питания (5 и 12 В), но малогабаритным моделям, разработанным для портативных компьютеров, достаточно напряжения 5 В. Как правило, от источника в 12 В питается схема управления шпиндельным двигателем и привод головок, а напряжение 5 В поступает на прочие схемы;

• разъем (или зажим) для заземления (необязательно) – обеспечивает надежный контакт между общим проводом накопителя и корпусом системы. При плохом заземлении накопителя возникают сбои в его работе, ошибки при считывании и записи и т.п.

Элементы конфигурации

При установке накопителя в компьютер обычно необходимо переставить или отключить некоторые перемычки и, возможно, нагрузочные резисторы. Эти элементы конфигурации изменяются от интерфейса к интерфейсу и от накопителя к накопителю.

Лицевая панель

В комплекты многих накопителей на жестких дисках в качестве необязательных элементов могут входить лицевые панели. Но на сегодняшний день в большинстве случаев лицевая панель является частью корпуса компьютера, а не самого накопителя.

Поиск по сайту: