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; его почти никогда не вскрывают. Прочие узлы, не входящие в блок HDA, – печатная плата, лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали – являются съемными.

8.2.1 Диски

Обычно в накопителе содержится один или несколько магнитных дисков. Самыми распространенными на сегодняшний день являются устройства с дисками следующих диаметров:

• 3,5" (на самом деле —9,5 мм, или 3,74");

• 2,5";

• 1,8".

Раньше почти все диски производились из алюминиевого сплава, довольно прочного и легкого. Но со временем возникла потребность в накопителях, в которых сочетались бы малые размеры и большая емкость. Поэтому в качестве основного материала для дисков стало использоваться стекло, а точнее — композитный материал на основе стекла и керамики. Один из таких материалов называется МетСоr производится фирмой Dow Coming. MemCor значительно прочнее, чем каждый из его компонентов в отдельности.

Стеклянные диски отличаются большей прочностью и жесткостью, поэтому их можно сделать в два раза тоньше алюминиевых. Кроме того, они менее восприимчивы к перепадам температур, т.е. их размеры при нагреве и охлаждении изменяются весьма незначительно. В настоящее время в накопителях, выпускаемых такими фирмами, как Seagate, Toshiba, Areal Technology, Maxtor и Hewlett-Packard, используются стеклянные или стеклокерамические диски.

Рабочий слой диска. Рабочим, или магнитным, называется тонкий слой вещества, способный сохранять остаточную намагниченность после воздействия внешнего магнитного поля. Самыми распространенными являются два типа рабочего слоя:

• оксидный;

• тонкопленочный.

Оксидный слой представляет собой полимерное покрытие с наполнителем из окиси железа. Наносят его следующим образом. Сначала на поверхность быстро вращающегося алюминиевого диска разбрызгивается суспензия порошка оксида железа в растворе полимера. За счет действия центробежных сил она равномерно растекается по поверхности диска от его центра к внешнему краю. После полимеризации раствора поверхность шлифуется. Затем на нее наносится еще один слой чистого полимера, обладающего достаточной прочностью и низким коэффициентом трения, и диск окончательно полируется.

Диски, покрытые оксидным слоем, имеют коричневый или желтый цвет.

Чем выше емкость накопителя, тем более тонким и гладким должен быть рабочий слой дисков. Но добиться качества покрытия, необходимого для накопителей большой емкости, в рамках традиционной технологии оказалось невозможным. Поскольку оксидный слой довольно мягкий, он крошится при "столкновениях" с головками (например, при случайных сотрясениях накопителя). Диски с таким рабочим слоем использовались с 1955 года, и продержались они так долго благодаря простоте технологии и низкой стоимости. Однако в современных моделях накопителей они полностью уступили место тонкопленочным дискам.

Тонкопленочный рабочий слой имеет меньшую толщину, он прочнее, и качество его покрытия гораздо выше. Эта технология стала основной в производстве накопителей нового поколения, в которых удалось существенно уменьшить величину зазора между головками и поверхностями дисков, что позволило повысить плотность записи. Тонкопленочный рабочий слой гораздо тоньше, чем оксидный. Его также называют гальванизированным, или напыленным, поскольку нанесение тонкой пленки на поверхность дисков осуществляется по-разному.

Тонкопленочный гальванизированный рабочий слой получают путем электролиза. Алюминиевую подложку диска последовательно погружают в ванны с различными растворами, в результате чего она покрывается несколькими слоями металлической пленки. Рабочим слоем служит слой из сплава кобальта толщиной всего около 3 микродюймов (приблизительно 0,08 мкм).

Толщина магнитного слоя, полученного методом напыления, составляет около 0,025 мкм. Его поверхность является исключительно гладкой, что позволяет сделать зазор между головками и поверхностями дисков гораздо меньшим, чем ранее. Чем ближе к поверхности рабочего слоя располагается головка, тем выше плотность расположения зон смены знака на дорожке записи и, следовательно, тем выше плотность диска. Кроме того, при увеличении напряженности магнитного поля по мере приближения головки к магнитному слою увеличивается амплитуда сигнала; в результате соотношение "сигнал-шум" становится более благоприятным.

И при гальваническом осаждении, и при напылении рабочий слой получается очень тонким и прочным. Поэтому вероятность "выживания" головок и дисков в случае их контакта друг с другом на большой скорости существенно повышается.

8.2.2 Головки чтения/записи

В накопителях на жестких дисках для каждой из сторон каждого диска предусмотрена своя собственная головка чтения/записи. Все головки смонтированы на общем подвижном каркасе и перемещаются одновременно. Каждая головка установлена на конце рычага на пружине, слегка прижимающего ее к диску. 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 3-20 микродюймов (0,08-0,5 мкм) и даже больше.

На рисунке 8.2 показана стандартная конструкция механизма привода головок с подвижной катушкой.

Рисунок.8.2. Головки чтения/записи и поворотный привод с подвижной катушкой

По мере развития технологии производства дисковых накопителей совершенствовались и конструкции головок чтения/записи. Чаще всего используются головки следующих четырех типов:

• ферритовые;

• с металлом в зазоре (MIG);

• тонкопленочные (TF);

• магниторезистивные (MR).

Ферритовые головки. Классические ферритовые головки впервые были использованы в накопителе Winchester фирмы IBM. Их сердечники делаются на основе прессованного феррита (на основе окиси железа). Магнитное поле в зазоре возникает при протекании через обмотку электрического тока. В свою очередь, при изменениях напряженности магнитного поля вблизи зазора в обмотке наводится электродвижущая сила. Таким образом, головка является универсальной, т.е. может использоваться как для записи, так и для считывания. Размеры и масса ферритовых головок больше, чем у тонкопленочных; поэтому, чтобы предотвратить их нежелательные контакты с поверхностями дисков, приходится увеличивать зазор. Главное достоинство ферритовых головок — их дешевизна.

Головки с металлом в зазоре. Головки с металлом в зазоре (MIG — Metal-In-Gap) появились в результате усовершенствования конструкции композитной ферритовой головки. В MIG-головках магнитный зазор, расположенный в задней части сердечника, заполнен металлом. Благодаря этому существенно уменьшается склонность материала сердечника к магнитному насыщению, что позволяет повысить магнитную индукцию в рабочем зазоре и, следовательно, выполнить запись на диск с большей плотностью. Кроме того, градиент магнитного поля, создаваемого MIG -головкой, выше, а это означает, что на поверхности диска формируются намагниченные участки с более четко выраженными границами (уменьшается ширина зон смены знака). Эти головки позволяют использовать носители с большой коэрцитивной силой и тонкопленочным рабочим слоем. За счет уменьшения общей массы и улучшения конструкции такие головки могут располагаться ближе к поверхности носителя.

Тонкопленочные головки. Тонкопленочные (TF – Thin Film) головки производятся почти по той же технологии, что и интегральные схемы, т.е. путем фотолитографии. На одной подложке можно "напечатать" сразу несколько тысяч головок, которые получаются в результате маленькими и легкими.

Рабочий зазор в TF-головках можно сделать очень узким, причем его ширина регулируется в процессе производства путем наращивания дополнительных слоев немагнитного алюминиевого сплава Алюминий полностью заполняет рабочий зазор и хорошо защищает его от повреждений (сколов краев) при случайных контактах с диском. Собственно 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 по сравнению с ферритовыми и MIG головками: в некоторых накопителях его величина не превышает 0,05 мкм. В результате, во-первых, повышается остаточная намагниченность участков поверхности носителя и, во-вторых, увеличивается амплитуда сигнала и улучшается соотношение "сигнал-шум" в режиме считывания, что в итоге сказывается на достоверности записи и считывания данных. При тех плотностях расположения дорожек и размещения данных вдоль дорожки, которые характерны для современных накопителей, сигнал воспроизведения с обычной ферритовой головки просто "потерялся" бы в шумах и помехах. Наконец, благодаря небольшой высоте TF-головок при тех же размерах корпуса накопителя удается установить большее количество дисков.

Магниторезистивные головки. Магниторезистивные головки (MR — Magneto-Resistive) разработаны фирмой IBM и позволяют добиться самых высоких значений плотности записи и быстродействия накопителей. Используются в большинстве накопителей формата 3,5", емкость которых превышает 1 Гбайт.

Работа MR-головок основывается на том, что сопротивление проводника незначительно изменяется под воздействием внешнего магнитного поля. При прохождении обычной головки над зоной смены знака на выходах обмотки формируется импульс напряжения. В MR-головках сопротивление оказывается различным при прохождении над участками с разным значением остаточной (постоянной) намагниченности. Через головку протекает небольшой постоянный измерительный ток, и при изменении сопротивления изменяется и падение напряжения на ней. Амплитуда выходного сигнала у такой головки оказывается примерно в три раза больше, чем у тонкопленочной.

Поскольку на основе магниторезистивного эффекта можно построить только считывающее устройство, MR-головка на самом деле — это две головки, объединенные в одну конструкцию. При этом записывающая часть представляет собой обычную индуктивную тонкопленочную головку, а считывающая — магниторезистивную.

На сегодняшний день их стоимость MR головок достаточно высока. Существенным недостатком MR-головок заключается в их большей чувствительности ко внешним воздействиям (в частности, к электростатическим разрядам). Поэтому в процессе производства головок и накопителей приходится принимать дополнительные меры предосторожности. И, наконец, при разработке накопителей необходимо учитывать более высокую чувствительность головок рассматриваемого типа к магнитным помехам и более тщательно их экранировать.

8.2.3 Ползунок.

Ползунком (рисунок 8.3) называется деталь конструкции, благодаря которой головка поддерживается в подвешенном положении на нужном расстоянии от поверхности диска. Сам ползунок при этом тоже не соприкасается с поверхностью носителя.

Сейчас в большинстве накопителей высокой емкости и малогабаритных моделях используются ползунки размеров 0,08х0,063х0,017 дюймов (2х1,6х0,43 мм). Уменьшение размеров ползунка приводит к снижению массы подвижной системы, состоящей из головки, ползунка и рычага перемещения головки. Это, в свою очередь, позволяет перемещать их с большими ускорениями, т.е. уменьшить время перехода с одной дорожки на другую и в итоге – время доступа к данным. Кроме того, при этом уменьшаются размеры зоны парковки головок (посадочной полосы) и, соответственно, увеличивается полезная площадь дисков. Благодаря меньшей площади контактной поверхности ползунка уменьшается неизбежный износ поверхности носителя в процессе раскручивания и остановки дисков. В новейших конструкциях ползунков их нижней стороне придается специальная форма, благодаря которой высота "полета" головок над поверхностью диска (величина воздушного просвета) поддерживается примерно одинаковой при работе как на внешних, так и на внутренних цилиндрах. При использовании обычных ползунков просвет между головкой и рабочим слоем диска существенно изменяется при переходе от внешних дорожек к внутренним и наоборот. Это связано с различиями в линейных скоростях разных участков поверхности диска относительно головок (линейная скорость зависит от радиуса вращения). Чем выше скорость, тем больше величина просвета. Такой эффект крайне нежелателен, особенно в новых накопителях с зонной записью, в которых линейные плотности записи (вдоль дорожек) одинаковы на всех цилиндрах. В этом случае для нормального считывания и записи величина воздушного просвета между головкой и рабочим слоем диска должна оставаться постоянной.

Рисунок 8.3 Ползунок

8.2.4 Воздушные фильтры

Почти во всех накопителях на жестких дисках используется два воздушных фильтра, один из которых называется фильтром рециркуляции, а второй— барометрическим фильтром. В отличие от сменных фильтров, устанавливавшихся в старых накопителях больших компьютеров, они располагаются внутри корпуса накопителя и не подлежат замене в течение всего его срока службы.

Рисунок 8.4 Циркуляция воздуха в накопителе на жестком диске

Блок жесткого диска является герметичным, однако это не совсем так. Внешний воздух проникает внутрь винчестера сквозь барометрический фильтр, так как это необходимо для выравнивания давления изнутри и снаружи блока. Именно потому, что жесткие диски не являются полностью герметичными устройствами, фирмы-изготовители указывают для них диапазон высот над уровнем моря, в котором они сохраняют работоспособность (обычно от -300 до +3000 м). Для некоторых моделей максимальная высота подъема ограничена величиной около 2000м, поскольку в более разреженном воздухе просвет между головками и поверхностями носителей оказывается недостаточным. По мере изменения атмосферного давления воздух выходит из накопителя или, наоборот, проникает в него сквозь вентиляционное отверстие, чтобы выровнять давления снаружи и внутри устройства. Тем не менее, это не приводит к загрязнению "атмосферы внутри накопителя Дело в том, что барометрический фильтр, установленный на этом отверстии, способен задерживать частицы размером более 0,3 мкм, что соответствует стандартам чистоты атмосферы внутри блока накопителя. В некоторых устройствах используются более плотные (тонкие) фильтры, позволяющие задерживать еще более мелкие частицы.

8.2.5 Двигатель привода дисков.

Двигатель, приводящий во вращение диски, часто называют шпиндельным. Шпиндельный двигатель всегда связан с осью вращения дисков. Двигатель должен быть бесшумным – любые вибрации передаются дискам и могут привести к ошибкам при считывании и записи.

Частота вращения двигателя должна быть строго определенной. Для ее стабильности используется схема управления двигателя с обратной связью (автоподстройкой), позволяющая добиться желаемой точности.

В большинстве накопителей шпиндельный двигатель располагается в нижней части накопителя. Однако во многих современных устройствах он представляет собой центральную часть блока дисков-носителей.

8.2.6 Плата управления

Плата управления представляет собой электронную схему для управления шпиндельным двигателем и приводом головок, а также для обмена данными с контроллером. Плата управления подключается к накопителям с помощью разъемов и крепятся стандартными винтами.

8.3 Основные понятия и термины

Поверхностная плотность записи является основным критерием оценки накопителей на жестких дисках. Она определяется как произведение линейной плотности записи вдоль дорожки, выражаемой в битах на дюйм (ВРI — Bits Per Inch), и количества дорожек на дюйм (TPI — Tracks Per Inch). В результате поверхностная плотность записи выражается в Мбит/дюйм. На основании этого значения можно сделать вывод об эффективности того или иного способа записи данных. В современных накопителях размером 3,5" величина этого параметра составляет около 3 Гбит/дюйм², а в экспериментальных моделях она достигает 10 Гбит/дюйм². Это позволяет выпускать накопители емкостью более 20 Гбайт для портативных компьютеров с одним диском-носителем на 2,5".

Дорожка – это одно «кольцо» данных на одной стороне диска.

Секторы. Дорожка записи на диске слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения информации. Поэтому дорожки на диске разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами.

Цилиндр. Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (рисунок 8.5).

Рисунок 8.5. Цилиндр накопителя на жестких дисках

Кластер – это группа секторов диска, формирующих один блок информации на диске для операционной системы. Размер кластера устанавливается при форматировании диска.

8.4 Принцип работы накопителей на жестких дисках

Основные принципы работы накопителей на жестких и гибких дисках практически одинаковы: данные записываются и считываются универсальными головками чтения-записи с поверхностей вращающихся магнитных дисков, разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый).

В накопителях обычно устанавливается несколько дисков, и данные записываются на обеих сторонах каждого из них. Для каждой стороны каждого диска предусмотрена своя головка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или стойке. По этой причине головки не могут перемещаться независимо друг от друга и двигаются только синхронно.

Частота вращения жестких дисков в настоящее время составляет от 5400 до 10000 об/мин. Скорость работы того или иного жесткого диска зависит от частоты его вращения, скорости перемещения системы головок и количества секторов на дорожке. Благодаря сочетанию всех этих факторов обмен данными с жесткими дисками осуществляется гораздо быстрее, чем с накопителями на гибких дисках

При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков. Но они опускаются на поверхность при выключении питания и остановке дисков. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется воздушная подушка. Для предотвращения повреждения головок и дисков при попадании посторонних частиц или от столкновения головок с дисками 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.

Запись информации на диски осуществляется на специальные нумерованные отрезки дорожек, называемых секторами (рисунок 8.6).

Рисунок 8.6 Секторы накопителя на жестких дисках

Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа накопителя. Например, 17-100 секторов на дорожке Секторы, создаваемые с помощью стандартных процедур форматирования, имеют емкость 512 байт. Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, в отличие от головок и цилиндров, отсчет которых ведется с нуля.

В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс — prefix portion), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце— заключение (или суффикс — suffix portion), в котором находится контрольная сумма (checksum), необходимая для проверки целостности данных. Помимо указанных областей служебной информации, каждый сектор содержит область данных емкостью 512 байт. При низкоуровневом (физическом) форматировании всем байтам данных присваивается некоторое значение, например F6h. Данный процесс называется индексацией.

При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются дополнительные области, в которых записываются их номера, а также прочая служебная информация, позволяющая контроллеру идентифицировать начало и конец сектора. Это позволяет отличать неформатированную и форматированную емкости диска. После форматирования емкость диска уменьшается, поскольку для обеспечения нормальной работы накопителя некоторое пространство на диске должно быть зарезервировано для служебной информации.

После индексации на дисках создаются интервалы, которые нужны для того, чтобы при перемещении головки на новую дорожку переходные процессы (установка) закончились до того, как она окажется перед ее первым сектором. В этом случае его можно считывать сразу, не дожидаясь, пока диск совершит дополнительный оборот. В некоторых накопителях, работающих с чередованием (interleave) 1:1. дополнительное время обеспечивается за счет смещения секторов таким образом, чтобы первый сектор дорожки под головкой появлялся с задержкой.

Идентификатор (ID) сектора состоит из полей записи номеров цилиндра, головки и сектора, а также контрольного поля CRC для проверки точности считывания информации ID. В большинстве контроллеров седьмой бит поля номера головки используется для маркировки дефектных секторов в процессе низкоуровневого форматирования или анализа поверхности.

Интервал включения записи следует сразу за байтами CRC; он гарантирует, что информация в следующей области данных будет записана правильно. Кроме того, он служит для завершения анализа CRC (контрольной суммы) идентификатора сектора.

В поле данных можно записать 512 байт информации. За ним располагается еще одно поле CRC для проверки правильности записи данных. В большинстве накопителей размер этого поля CRC составляет два байта, но некоторые контроллеры могут работать и с более длинными полями кодов коррекции ошибок (ЕСС — Error Correction Code). Записанные в этом поле байты кодов коррекции ошибок позволяют при считывании обнаруживать и исправлять некоторые ошибки. Эффективность этой операции зависит от выбранного метода коррекции и особенностей контроллера. Наличие интервала отключения записи позволяет полностью завершить анализ байтов ЕСС (CRC).

Интервал между записями необходим для того, чтобы застраховать данные из следующего сектора от случайного стирания при записи в предыдущий сектор. Это может произойти, если при форматировании диск вращался с частотой, несколько меньшей, чем при последующих операциях записи. При этом сектор немного длиннее, и для того чтобы он не выходил за установленные при форматировании границы, их слегка "растягивают", вводя вышеупомянутый интервал. Его реальный размер зависит от разности частот вращения диска при форматировании дорожки и при каждом обновлении данных.

Предындексный интервал необходим для компенсации неравномерности вращения диска вдоль всей дорожки. Размер этого интервала зависит от возможных значений частоты вращения диска и сигнала синхронизации при форматировании и записи.

Информация, записываемая в заголовке сектора, имеет большое значение, т.к. содержит данные о номере цилиндра, головки и сектора. Все эти сведения (за исключением поля данных, байтов CRC и интервала отключения записи) записываются на диск только при форматировании низкого уровня. В накопителях, в которых привод головок осуществляется от шагового двигателя, в результате колебаний температуры возможны смещения текущих положений дорожек записи от размеченных на диске в процессе форматирования. При этом записываемые "полезные" данные и сопутствующие им поля оказываются расположенными не на одной линии с заголовками сектора. Это приводит к появлению сообщений типа Abort, Retry, Fail? во время считывания и записи. Исправить положение можно, только снова выполнив низкоуровневое форматирование диска. При этом служебная информация и "полезные" данные в секторах окажутся записанными в точном соответствии с новыми положениями дорожек.

8.5 Установка накопителя в корпус системного блока.

Установка накопителя в корпус системного блока осуществляется в следующем порядке:

1. Установить перемычки накопителя в положение (Slave/Master)

2. Присоединить шлейф к накопителю. Красный провод шлейфа должен подключаться к первому контакту разъема накопителя.

3. Аккуратно поместить накопитель в корпус компьютера и закрепить его винтами.

4. Присоединить шлейф к системной плате

5. Подключить к накопителю кабель питания

6. Включить компьютер и послушать вращается ли двигатель накопителя. Если шум двигателя не слышен, необходимо проверить правильность подключения всех кабелей

7. Перегрузить компьютер и запустить программу установки параметров BIOS.