Основные принципы работы накопителей
9. Устройство и работа современного винчестера
Накопители на жестких магнитных дисках предназначены для длительного (в идеале — постоянного) хранения больших объемов данных и программных файлов. Первоначально для этих целей использовались накопители на гибких дисках. Они были просты и относительно недороги, но работали очень медленно, а объемы программ быстро выросли настолько, что необходимые файлы перестали помещаться на одной дискете. Использование нескольких переключаемых дисководов оказалось лишь временным выходом из положения и, к тому же, весьма обременительным. С начала 1980-х годов жесткие диски стали одними из важнейших компонентов персональных компьютеров. Сегодня жесткий диск — это абсолютно необходимая часть компьютера. На него устанавливается операционная система, загружаемая при включении компьютера, на нем же хранятся прикладные программы и создаваемые с их помощью файлы объемом в десятки и сотни мегабайт. Часть дискового пространства используется для создания виртуальной памяти, которая является расширением системного оперативного запоминающего устройства (ОЗУ или RAM— Random Access Memory). От быстродействия и емкости жесткого диска существенно зависит общая производительность системы.
9.1. Основные принципы работы накопителей
Для того чтобы понять, как работают накопители на жестких дисках, нужно сначала разобраться с основными концепциями и принципами, положенными в основу их работы. Предъявляемые к жестким дискам повышенные требования — в первую очередь, производительности и емкости — привели к тому, что при их разработке было реализовано множество новых важных идей.
Диски из немагнитного материала, подложки, с нанесенным на них магнитным рабочим слоем вращаются с высокой скоростью. Головки записи/воспроизведения, которые могут быстро, ступенчато или непрерывно, перемещаться перпендикулярно направлению вращения дисков, регистрируют изменения остаточной намагниченности вдоль дорожки записи (при считывании) или создают магнитный поток, необходимый для перемагничивания участков рабочего слоя носителя (при записи).
9.1.1. Магнитные диски и рабочий слой
В накопителях на жестких дисках в качестве носителей используются пластины из твердых материалов, которые в дальнейшем будем называть магнитными дисками (platters). Раньше магнитные диски изготавливались из алюминия, поскольку он достаточно легок, хорошо обрабатывается до необходимой точности и сохраняет свою форму под действием больших центробежных сил, возникающих при высоких скоростях вращения. Сейчас большинство магнитных дисков делают из стекла или керамических композиционных материалов. Эти легкие и прочные носители отличаются высокой температурной стабильностью и небольшим коэффициентом теплового расширения, что практически исключает проблемы, связанные с тепловой деформацией дисков. Кроме того, стеклокерамические диски выдерживают более значительные центробежные силы, чем алюминиевые. Поскольку одним из главных параметров, характеризующих качество накопителя, является его быстродействие, в современных моделях магнитные диски вращаются с частотами от 7600 до 10000 об/мин (в старых устройствах частоты вращения лежали в пределах от 3600 до 5200 об/мин). Магнитных дисков в накопителях, как правило, несколько, но в некоторых малогабаритных моделях используется только один диск.
Магнитное покрытие носителей в накопителях на жестких дисках должно допускать очень высокую линейную плотность записи — свыше 100000ВРI (BPI (Bits Per Inch) — бит на дюйм. Единица плотности размещения данных вдоль дорожки записи. 100000BPI эквивалентны примерно 4000бит/мм.) Для достижения таких плотностей записи, качество рабочего слоя магнитного диска должно быть значительно.
Во-первых, рабочий слой должен обладать высокой коэрцитивной силой для того, чтобы полезные изменения остаточной намагниченности носителя уверенно детектировались на фоне шумов и помех. Как правило, коэрцитивная сила магнитного покрытия в накопителях на жестких дисках превышает 1400Э (эрстед).
Рекомендуемые материалы
Во-вторых, поверхность рабочего слоя должна быть максимально гладкой, а его толщина постоянной по всей площади магнитного диска (допустимые отклонения составляют сотые доли микрометра).
В первых моделях накопителей на жестких дисках рабочие слои были оксидными (на основе окислов ферромагнитных металлов железа, кобальта, хрома). В настоящее время рабочие слои представляют собой тонкие пленки — покрытия из чистых металлов или их сплавов, нанесенные на покрытые слоем промежуточного сцепляющего состава подложки. Поверх слоя металла наносится защитное покрытие, позволяющее сгладить неприятные последствия столкновений головок с поверхностными дефектами и инородными телами. Качество поверхности у тонкопленочных рабочих слоев значительно выше, чем у оксидных, что позволяет уменьшить толщину воздушной подушки головок записи/воспроизведения.
9.1.2. Циркуляция воздуха и воздушная подвеска головок
Головки записи/воспроизведения накопителей на жестких дисках непосредственно не касаются рабочего слоя, а “парят” над ним на небольшой высоте, поддерживаемые формирующимся, в результате вращения носителей воздушным потоком! Столкновение головки с микроскопическим дефектом поверхности или инородным телом (например, с частицей пыли) может вывести из строя либо саму головку, либо участок поверхности рабочего слоя.
Головки записи/воспроизведения должны располагаться на минимальном расстоянии от поверхностей магнитных дисков, но не должны касаться их рабочего слоя в процессе работы накопителя. В принципе, их можно было бы закрепить чисто механически, но при фиксированном зазоре пришлось бы самым тщательным образом оберегать накопители от неизбежных вибраций и ударов — что сделать практически невозможно. По этой причине головки записи/воспроизведения “подвешиваются” над поверхностью магнитного диска на воздушной подушке, возникающей в результате движения слоя воздуха, непосредственно прилегающего к вращающемуся носителю. Часть воздуха проходит сквозь мелкопористый фильтр рециркуляции, очищающий пространство внутри жесткого диска от посторонних частиц.
Во всех накопителях блоки головок и магнитных дисков (HDA — Head Disk Assembly) помещаются в изолированные, но в большинстве случаев не герметизированные корпуса. Воздухообмен с атмосферой, необходимый для выравнивания давлений внутри и вне блока HDA, осуществляется через мелкопористый барометрический фльтр. Делается это для того, чтобы предотвратить проникновение внутрь блока пыли, грязи, волосков и т.п. Как уже говорилось выше, головки записи/воспроизведения могут столкнуться с посторонними частицами, оседающими на поверхности магнитного диска. Такое столкновение может привести к повреждению либо самой головки, либо рабочего слоя, либо и того, и другого — а любое физическое повреждение означает частичную или полную непригодность накопителя. На рис. показаны сравнительные размеры посторонних частиц и воздушной подушки, на которой подвешивается головка, сама головка изображена в уменьшенном масштабе. В популярной литературе головки часто сравнивают с “реактивными слонами”, летящими на высоте 10 метров над землей со скоростью 1000км/ч. Из рисунка и приведенного сравнения следует, что даже самые незначительные отклонения поверхности от идеальной плоскости, возникающие в результате загрязнения или деформации рабочего слоя, могут иметь катастрофические последствия для головки. Даже частица табачного дыма по размеру раз в десять раз больше, чем толщина воздушной подушки. С учетом этих пропорций легко понять, почему так важно, чтобы блок HDA был изолирован от окружающей среды. Его можно вскрывать только в “чистых комнатах” (небольших изолированных помещениях, воздух в.которых очищается от всех частиц, размеры которых превышают 3 мкм). Сборщики накопителей на жестких дисках в таких помещениях работают в перчатках, спецодежде и масках, закрывающих органы дыхания. Все это делается для того, чтобы предотвратить загрязнение магнитных дисков пылью и конденсатом водяных паров.
9.1.3. Головки записи/воспроизведения
Головки записи/воспроизведения в дисковых накопителях играют роль интерфейса между электронными узлами и магнитным рабочим слоем. При записи головка преобразует электрический сигнал в переменное магнитное поле, под воздействием которого участки рабочего слоя, проходящие под головкой, приобретают остаточную намагниченность. При операциях считывания процесс протекает в обратном направлении. В результате вращения дисков под головками проходят участки поверхности с разной по знаку остаточной намагниченностью. Это приводит к изменениям магнитной индукции в зазоре головки и появлению переменного напряжения на концах ее обмотки. Эти переменные электрические сигналы усиливаются, фильтруются и преобразуются в соответствующие логические уровни. Режим работы головки (запись или считывание) определяется самим накопителем в зависимости от поступивших в него команд.
9.1.4. Механизмы привода головок
В накопителях на жестких дисках головки при перемещениях между внутренними и внешними дорожками описывают дуги относительно большого радиуса. В подавляющем большинстве современных жестких дисков для приведения головок в движение используются приводы с подвижной катушкой (иногда их называют приводами с поворотной катушкой или сервоприводами). В приводах с подвижной катушкой используется тот же принцип, на котором построены аналоговые измерительные приборы: подпружиненная катушка индуктивности располагается в поле постоянного магнита. Электрический ток, протекающий через катушку, взаимодействуете полем постоянного магнита и, в зависимости от своей величины и полярности, порождает усилие, втягивающее или выталкивающее катушку из поля. Рычаги, на концах которых закреплены головки, жестко связаны с катушкой, поэтому момент их вращения прямо пропорционален величине протекающего через катушку тока. Чем больше ток — тем большее усилие возвратной пружины способны преодолеть головки и тем значительнее их отклонение. Переход с одного цилиндра на другой осуществляется за счет увеличения или уменьшения управляющего тока; в дальнейшем он должен поддерживаться на постоянном уровне. Приводы с подвижной катушкой отличаются малыми габаритами и небольшим весом, что позволяет снизить задержки и уменьшить размеры накопителей на жестких дисках.
9.1.5. Двигатель привода дисков
Одним из важнейших факторов, определяющих быстродействие жесткого диска, является скорость, с которой рабочий слой проходит под головками записи/воспроизведения. Она зависит от радиуса дорожки и от частоты вращения магнитных дисков, которая в старых моделях накопителей составляла 3600 об/мин, а в современных устройствах достигает 15.000об/мин. Диски приводятся во вращение шпиндельным двигателем, в качестве которого обычно используется бесконтактный электродвигатель постоянного тока плоской конструкции.
В старых моделях накопителей для стабилизации частоты вращения дисков использовалась отдельная система автоматического регулирования (автоподстройки) с магнитными или оптронными датчиками, закрепленными на валу или роторе двигателя. В современных устройствах сигналы, пропорциональные частоте вращения двигателя, извлекаются из потока считываемых с дисков данных, поэтому подсистема стабилизации частоты вращения связана с подсистемой считывания и декодирования данных. Шпиндельный двигатель и датчики частоты вращения (в старых накопителях) располагаются в изолированном блоке HDA.
В лекции "Вены" также много полезной информации.
9.1.6. Плотность записи
На рабочей поверхности жесткого диска желательно разместить как можно больше информации. Поверхностная плотность записи характеризует максимальную информационную емкость рабочего слоя и измеряется в мегабайтах на квадратный дюйм (MBSI -Mega Bytes per Square Inch). Для рабочих слоев современных жестких дисков, используемых в большинстве компьютеров, эта величина составляет 2500MBS1 и более. Нетрудно понять, что с повышением допустимой плотности записи рабочего слоя при неизменных габаритах накопителей в них удается поместить большее количество информации и наоборот — можно уменьшить размеры жестких дисков без снижения их емкости.
Поверхностная плотность записи зависит от нескольких основных факторов. Ее предельная величина, в первую очередь, определяется размерами ферромагнитных частиц (доменов) рабочего слоя их уменьшение позволяет добиться больших значений поверхностной плотности записи данных. Следующими по значимости факторами являются коэрцитивная сила рабочего слоя и размеры головок записи/воспроизведения точнее, ширина их магнитного зазора. Увеличение коэрцитивной силы позволяет повысить соотношение сигнал/шум при считывании, а уменьшение ширины зазора — более компактный “профиль” поля намагничивания головки в режиме записи, что позволяет уменьшить расстояние между зонами смены знака остаточной намагниченности на поверхности носителя и, следовательно, получить более высокие значения плотности записи. Наконец, плотность записи зависит от толщины воздушной подушки — расстояния между головкой записи/воспроизведения и поверхностью носителя. Чем ближе головка записи/воспроизведения располагается к магнитному слою, тем выше может быть поверхностная плотность записи. Чем толще подушка — тем сильнее сказывается рассеивание магнитного поля, а это приводит к снижению остаточной намагниченности, размыванию границ между зонами смены знака в режиме записи и снижению соотношения сигнал/шум в режиме считывания. В свою очередь, уменьшить толщину подушки и позволить головке записи/воспроизведения “парить” над рабочим слоем на меньшей высоте можно только при повышении качества поверхности носителя. Таким образом, гладкость поверхности магнитного диска является важным фактором, влияющим на плотность записи.
Существуют и другие параметры, характеризующие плотность упаковки данных на диске, большинство из которых так или иначе связано с поверхностной плотностью записи. Плотность дорожек — это величина, измеряемая в единицах дорожек на дюйм (ТРI — Tracks Per Inch) и указывающая на то, какое количество дорожек размещается на единице длины радиуса диска. Плотность дорожек зависит как от перечисленных выше факторов, так и от точности работы механизма привода головок записи/воспроизведения — чем она выше, тем больше концентрических дорожек может быть “уложено” на носителе. Плотность зон смены знака определяет количество переходов между участками с постоянной остаточной намагниченностью, которые можно расположить на единице длины дорожки записи. Она измеряется в количестве переходов магнитного потока на дюйм (FCI — Flux Changes per Inch или в кратных единицах — KFCI, 1-KFCI = 1000FCI). Наконец, вы можете столкнуться с ранее упоминавшейся плотностью записи вдоль дорожки, которая измеряется в битах на дюйм длины дорожки записи (BPI или в кратных единицах — KBPI, 1-КВРI = 1000ВРI).
9.1.7. Запаздывание
Каким бы быстродействующим не был жесткий диск, он не может работать с бесконечной скоростью. Между моментом выдачи команды считывания или записи на интерфейс накопителя и моментом, когда соответствующая информация становится доступной или физически сохраняется на носителе, проходит определенное время. Эту задержку называют запаздыванием (latency). Оно определяется временем, необходимым для того, чтобы участок с подлежащей считыванию информацией (или предназначенный для записи новых данных) прошел под головкой записи/воспроизведения. Если искомое место на момент выдачи команды приближается к головке, то время запаздывания будет достаточно небольшим. Если же оно только что “проскочило” под головкой, то в следующий раз этот участок носителя окажется в нужном месте примерно через один оборот диска — и запаздывание окажется значительным. Дисковые накопители характеризуются средним временем запаздывания, которое принимается равным половине периода вращения носителя. У накопителя, диски которого вращаются с частотой 3600об/мин (60об/с), длительность оборота равна 1/60с или 16,7мс. Среднее время запаздывания составит при этом 16,7/2 = 8,35 мс. Для диска, вращающегося с частотой 5200об/мин, запаздывание составит примерно 5,8мс и т.д. Одним словом, чем быстрее вращается диск, тем меньше будет его время запаздывания. Уменьшить запаздывание можно, увеличивая частоту вращения дисков, но она, в конечном счете, ограничивается пределом устойчивости носителей к центробежным силам.
