Принцип роботи жорсткого диска

 1.Принцип роботи жорсткого диска

 Накопичувач на жорсткому диску відноситься  до найбільш досконалих і складних пристроїв сучасного персонального комп'ютера. Його диски здатні вміщувати багато мегабайтів інформації, передаваної з величезною швидкістю. В той час, як майже всі елементи комп'ютера працюють безшумно, жорсткий диск бурчить і поскрипує, що дозволяє віднести його до тих небагатьох комп'ютерних пристроїв, які містять як механічні, так і електронні компоненти.

 Основні принципи роботи жорсткого диска  мало змінилися з дня його створення. Будова вінчестера дуже схожа на звичайний програвач грамплатівок. Тільки під корпусом може бути декілька пластин, насаджених на загальну вісь, і головки можуть прочитувати інформацію відразу з обох боків кожної пластини. Швидкість обертання пластин (у деяких моделей вона доходить до 15000 оборотів в хвилину) постійна і є однією з основних характеристик. Головка переміщається уздовж пластини на деякій фіксованій відстані від поверхні. Чим менше це відстань, тим більше точність прочитування інформації, і тим більше може бути щільність запису інформації. Поглянувши на накопичувач на жорсткому диску, ви побачите тільки міцний металевий корпус. Він повністю герметичний і захищає дисковод від частинок пилу, який при попаданні у вузький зазор між головкою і поверхнею диска можуть пошкодити чутливий магнітний шар і вивести диск з ладу. Крім того, корпус екранує накопичувач від електромагнітних перешкод. Усередині корпусу знаходяться всі механізми і деякі електронні вузли. Механізми - це самі диски, на яких зберігається інформація, головки, які записують і прочитують інформацію з дисків, а також двигуни, що приводять все це в рух. Диск є круглою пластиною з дуже рівною поверхнею частіше з алюмінію, рідше - з кераміки або скла, покриту тонким феромагнітним шаром.  У багатьох накопичувачах використовується шар оксиду заліза (яким покривається звичайна магнітна стрічка), але новітні моделі жорстких дисків працюють з шаром кобальту завтовшки близько десяти мікрон. Таке покриття міцніше і, крім того, дозволяє значно збільшити щільність запису. Технологія його нанесення близька до тієї, яка використовується при виробництві інтегральних мікросхем.

 Кількість дисків може бути різною - від одного до п'яти, кількість робочих поверхонь, відповідно, удвічі більше (по дві на кожному диску). Остання (як і матеріал, використаний для магнітного покриття) визначає ємкість жорсткого диска. Іноді зовнішні поверхні крайніх дисків (або одного з них) не використовуються, що дозволяє зменшити висоту накопичувача, але при цьому кількість робочих поверхонь зменшується і може виявитися непарним.

 Магнітні  головки прочитують і записують інформацію на диски. Принцип запису загалом схожий з тим, який використовується в звичайному магнітофоні. Цифрова інформація перетвориться в змінний електричний струм, що поступає на магнітну головку, а потім передається на магнітний диск, але вже у вигляді магнітного поля, яке диск може сприйняти і "запам'ятати". Магнітним покриттям диска є безліч найдрібніших областей мимовільної (спонтанної) намагніченості. Для наочності уявіть собі, що диск покритий шаром дуже маленьких стрілок від компаса, направлених в різні боки. Такі частинки-стрілки називаються доменами. Під впливом зовнішнього магнітного поля власні магнітні поля доменів орієнтуються відповідно до його напряму. Після припинення дії зовнішнього поля на поверхні диска утворюються зони залишкової намагніченості. Таким чином зберігається записана на диск інформація. Ділянки залишкової намагніченості, опинившись при обертанні диска напроти зазору магнітної головки, наводять в ній електрорушійну силу, що змінюється залежно від величини намагніченості. Пакет дисків, змонтований на осі-шпінделі, приводиться в рух спеціальним двигуном, компактно розташованим під ним. Швидкість обертання дисків, як правило, складає 7200 об/хв. Для того, щоб скоротити час виходу накопичувача в робочий стан, двигун при включенні якийсь час працює у форсованому режимі. Тому джерело живлення комп'ютера повинне мати запас по піковій потужності. Тепер про роботу головок. Вони переміщаються за допомогою прецизійного крокового двигуна і як би "пливуть" на відстані в долі мікрона від поверхні диска, не торкаючись його. На поверхні дисків в результаті запису інформації утворюються намагнічені ділянки, у формі концентричних кіл. Вони називаються магнітними доріжками. Переміщаючись, головки зупиняються над кожною наступною доріжкою. Сукупність доріжок, розташованих один під одним на всіх поверхнях, називають циліндром. Всі головки накопичувача переміщаються одночасно, здійснюючи доступ до однойменних циліндрів з однаковими номерами.  

 2.Будова диска

 Типовий вінчестер складається з гермоблока і плат електроніки. У гермоблоці розміщені всі механічні частини, на платі - вся електроніка, що управляє, за винятком передпідсилювача, розміщеного усередині гермоблока в безпосередній близькості від головок.

 Під дисками розташований двигун - плоский, як в floppy-дисководах, або вбудований в шпіндель дискового пакету. При обертанні дисків створюється сильний потік повітря, яке циркулює по периметру гермоблока і постійно очищається фільтром, встановленим на одній з його сторін.

 Ближче  до роз'ємів, з лівого або правого  боку від шпінделя, знаходиться поворотний позиционер, що нагадує по вигляду декілька баштових кранів: з одного боку осі, знаходяться звернені до дисків тонкі, довгі і такі, що легко несуть магнітні головки, а з іншої - короткий і масивніший хвостовик з обмоткою електромагнітного приводу. При поворотах коромисла позиционера головки здійснюють рух по дузі між центром і периферією дисків. Кут між осями позиционера і шпінделя підібраний разом з відстанню від осі позиционера до головок так, щоб вісь головки при поворотах якомога менше відхилялася від дотичної доріжки.

 У раніших  моделях коромисло було закріплене на осі крокового двигуна, і відстань між доріжками визначалася величиною кроку. У сучасних моделях використовується так званий лінійний двигун, який не має якої-небудь дискретності, а установка на доріжку проводиться по сигналах, записаних на дисках, що дає значне збільшення точності приводу і щільності запису на дисках.

 Обмотку позиционера оточує статор, що є постійним магнітом. При подачі в обмотку струму певної величини і полярності коромисло починає повертатися у відповідну сторону з відповідним прискоренням; динамічно змінюючи струм в обмотці, можна встановлювати позиционер в будь-яке положення. Така система приводу отримала назву Voice Coil (звукова котушка) - по аналогії з дифузором гучномовця.

 На  хвостовику зазвичай розташована так звана магнітна клямка - маленький постійний магніт, який при крайньому внутрішньому положенні головок (landing zone - посадочна зона) притягується до поверхні статора і фіксує коромисло в цьому положенні. Це так зване парковочное положення головок, які при цьому лежать на поверхні диска, стикаючись з нею. У ряді дорогих моделей (зазвичай SCSI) для фіксації позиционера передбачений спеціальний електромагніт, якір якого у вільному положенні блокує рух коромисла. У посадочній зоні дисків інформація не записується.

 У вільному просторі, що залишився, розміщений передпідсилювач сигналу, знятого з головок, і їх комутатор. Позіционер сполучений з платою передпідсилювача гнучким стрічковим кабелем, проте в окремих вінчестерах (зокрема - деякі моделі Maxtor AV) живлення обмотки підведене окремими одножильними проводами, які мають тенденцію ламатися при активній роботі. Гермоблок заповнений звичайним знепиленим повітрям під атмосферним тиском. У кришках гермоблоков деяких вінчестерів спеціально робляться невеликі вікна, заклеєні тонкою плівкою, які служать для вирівнювання тиску усередині і зовні. У ряді моделей вікно закривається повітропроникним фільтром. У одних моделей вінчестерів осі шпінделя і позиционера закріплені тільки в одному місці - на корпусі вінчестера, у інших вони додатково кріпляться гвинтами до кришки гермоблока. Другі моделі чутливіші до мікродеформації при кріпленні - достатньо сильного затягування кріпильних гвинтів, щоб виник неприпустимий перекіс осей. У ряді випадків такий перекіс може стати необоротним. Плата електроніки - знімна, підключається до гермоблоку через один - два роз'єми різної конструкції. На платі розташовані основний процесор вінчестера, ПЗП з програмою, робоче ОЗУ, яке зазвичай використовується і як дисковий буфер, цифровий сигнальний процесор (DSP) для підготовки записуваних і обробки лічених сигналів, і інтерфейсна логіка. На одних вінчестерах програма процесора повністю зберігається в ПЗП, на інших певна її частина записана в службовій області диска. На диску також можуть бути записані параметри накопичувача (модель, серійний номер і тому подібне). Деякі вінчестери зберігають цю інформацію в електрично репрограмованому ПЗП (EEPROM).

 Багато  вінчестерів мають на платі електроніки  спеціальний технологічний інтерфейс  з роз'ємом, через який за допомогою стендового устаткування можна виконувати різні сервісні операції з накопичувачем, - тестування, форматування, перепризначення дефектних ділянок і тому подібне У сучасних накопичувачів Conner технологічний інтерфейс виконаний в стандарті послідовного інтерфейсу, що дозволяє підключати його через адаптер до алфавітно-цифрового терміналу або COM-порту комп'ютера. У ПЗП записана так звана тест-моніторна система (ТМОС), яка сприймає команди, що подаються з терміналу, виконує їх і виводить результати назад на термінал. Ранні моделі вінчестерів, як і гнучкі диски, виготовлялися з чистими магнітними поверхнями; первинна розмітка (форматування) проводилася споживачем по його розсуду, і могла бути виконана будь-яку кількість разів. Для сучасних моделей розмітка проводиться в процесі виготовлення; при цьому на диски записується сервоінформація - спеціальні мітки, необхідні для стабілізації швидкості обертання, пошуку секторів і стеження за положенням головок на поверхнях. Не так давно для запису сервоинформации використовувалася окрема поверхня (dedicated - виділена), по якій настроювалися головки решти всіх поверхонь. Така система вимагала високої жорсткості кріплення головок, щоб між ними не виникало розбіжностей після початкової розмітки. Нині сервоінформація записується в проміжках між секторами (embedded - вбудована), що дозволяє збільшити корисну ємкість пакету і зняти обмеження на жорсткість рухомої системи. У деяких сучасних моделях застосовується комбінована система стеження - вбудована сервоінформація у поєднанні з виділеною поверхнею; при цьому грубе налаштування виконується по виділеній поверхні, а точне - по вбудованих мітках.

 Оскільки  сервоінформація є опорною розміткою диска, контроллер вінчестера не в змозі самостійно відновити її у разі псування. При програмному форматуванні такого вінчестера можливий тільки перезапис заголовків і контрольних сум секторів даних.

 При початковій розмітці і тестуванні сучасного  вінчестера на заводі майже завжди виявляються дефектні сектори, які  заносяться в спеціальну таблицю  перепризначення. При звичайній роботі контроллер вінчестера підміняє ці сектори резервними, які спеціально залишаються для цієї мети на кожній доріжці, групі доріжок або виділеній зоні диска. Завдяки цьому новий вінчестер створює видимість повної відсутності дефектів поверхні, хоча насправді вони є майже завжди.

 При включенні живлення процесор вінчестера виконує тестування електроніки, після чого видає команду включення двигуна шпінделя. Досягши деякої критичної швидкості обертання щільність захоплюваного поверхнями дисків повітря стає достатньої для подолання сили притиску головок до поверхні і підняття їх на висоту від доль до одиниць мікрон над поверхнями дисків - головки "спливають". З цієї миті і до зниження швидкості нижче за критичну головку "висять" на повітряній подушці і абсолютно не торкаються поверхонь дисків.

 Після досягнення дисками швидкості обертання, близької до номінальної (зазвичай - 3600, 4500, 5400 або 7200 об/мин) головки виводяться із зони парковки і починається пошук сервоміток для точної стабілізації швидкості обертання. Потім виконується прочитування інформації із службової зони - зокрема, таблиці перепризначення дефектних ділянок.

 На  завершення ініціалізації виконується тестування позиціонера шляхом перебору заданої послідовності доріжок - якщо воно проходить успішно, процесор виставляє на інтерфейс ознаку готовності і переходить в режим роботи по інтерфейсу.

 Під час роботи постійно працює система  стеження за положенням головки на диску: з безперервно прочитуваного сигналу виділяється сигнал розузгодження, який подається в схему зворотного зв'язку, що управляє струмом обмотки позиционера. В результаті відхилення головки від центру доріжки в обмотці виникає сигнал, прагнучий повернути її на місце.

 Для узгодження швидкостей потоків даних - на рівні прочитування/запису і  зовнішнього інтерфейсу - вінчестери мають проміжний буфер, часто  помилково званий кешем, об'ємом зазвичай в декілька десятків або сотень кілобайт. У ряді моделей (наприклад, Quantum) буфер розміщується в загальному робочому ОЗУ, куди спочатку завантажується оверлейна частина мікропрограми управління, чому дійсний об'єм буфера виходить меншим, ніж повний об'єм ОЗУ (80-90 кб при ОЗУ 128 кб у Quantum). У інших моделей (Conner, Caviar) ОЗУ буфера і процесора зроблені роздільними.

 При відключенні живлення процесор, використовуючи енергію, що залишилася в конденсаторах плати або витягуючи її з обмоток двигуна, який при цьому працює як генератор, видає команду на установку позиционера в парковочное положення, яка встигає виконатися до зниження швидкості обертання нижче критичною. У деяких вінчестерах (Quantum) цьому сприяє поміщене між дисками підпружинене коромисло, постійно випробовуюче тиск повітря. При ослабленні повітряного потоку коромисло додатково штовхає позиционер в парковочное положення, де той фіксується клямкою. Руху головок у бік шпінделя сприяє також доцентрова сила, що виникає із-за обертання дисків.  

 3. Робота жорсткого диска 

 Тепер - власне про процес роботи вінчестера. Після початкового налаштування електроніки і механіки мікрокомп'ютер вінчестера переходить в режим очікування команд від контроллера, розташованого на системній платі або інтерфейсній карті. Отримавши команду, він включає потрібну головку, по сервоімпульсам відшукує потрібну доріжку, чекає, поки до головки "доїде" потрібний сектор, і виконує прочитування або запис інформації. Якщо контроллер запитав читання/запис не одного сектора, а декілька - вінчестер може працювати в так званому блоковому режимі, використовуючи ОЗУ як буфери і суміщаючи читання/запис з передачею інформації до контроллера або від нього.