Накопители на жестких магнитных дисках. Ремонт и эксплуатация компьютерной техники. Архитектура IBM-совместимых ПК

Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД, HDD,) содержит:

Особенность конструкции HDD в том, что диски, головки и позиционер помещены в герметичный бокс, называемый HDA (Head Disk Assembly - сборка жесткого диска) и встроенная в него система циркуляции воздуха содержит наружный и внутренний фильтры, защищающие диски и головки от пыли. Во время работы, НЖМД очень чувствительны к тряске и ударам: микро-аварии головок (кратковременные падения головок на поверхность диска) приводят к неустранимому повреждению магнитного покрытия пластин дисков. По этим причинам разборка HDD, без повреждений накопителя, в неспециализированных условиях практически невозможна.

Воздушная подушка, возникающая при вращении дисков, благодаря аэродинамической форме держателей головок, держит головки над поверхностью дисков на высоте 2-5 мкм, т. е. головки не находятся в контакте с диском, что, вместе с защитой от пыли, позволяет использовать плотность записи в 20 - 30 раз большую, чем на дискетах.

Головки НЖМД по технологии их изготовления могут быть композитными, ферритовыми или тонкопленочными. Первые - тяжелее, обеспечивают зазор между головками и поверхностями дисков в 10-20 микродюймов, сравнительно дешевы, позволяют достичь плотности записи в 1500 TPI. Тонкопленочные - используют специальный полупроводниковый кристалл; они легче, допускают зазор до 6 микродюймов и позволяют достичь плотности записи до 2000 TPI и больше.

Позиционеры в НЖМД ранее использовались двух типов: с шаговым двигателем (ШД) и с соленоидным приводом (СП), последний называется также позиционером с подвижной катушкой.

Сравнительные характеристики дисководов с шаговым и соленоидным приводами приведены в таблице 1.7.

скорость позиционирования малая высокая
чувствительность к темпе-
ратурным изменениям высокая нет
чувствительность к ориен-
тации дисковода высокая нет
автопарковка головок нет есть
обслуживание периодическое нет
надежность малая хорошая
сложность малая высокая
стоимость низкая высокая.

Система с шаговым двигателем - система "открытого управления": сколько выдано сигналов ШАГ, столько и выполнено перемещений головок по цилиндрам. Считается, что головки автоматически точно устанавливаются на дорожки, но, при изменениях температуры, диски сжимаются или расширяются, поэтому позиционирование получается не вполне точным, следовательно, чтение - не вполне устойчивым, особенно при включении холодной системы. В настоящее время жесткие диски с шаговым двигателем не выпускаются и их можно встретить только в очень старых компьютерах типа IBM-286.

Соленоидный привод, вследствие существенных преимуществ перед приводом с ШД, что хорошо видно из приведенной выше таблицы 1.7, начал применяется в накопителях, емкостью более 100 Мбайт и используется во всех современных жестких дисках.

Накопитель с СП имеет специальный сервопривод, следящий за тем, чтобы головка устанавливалась точно на цилиндр. Для этого одна из поверхностей пакета дисков (служебная) содержит специальную информацию, записанную уже на заводе-изготовителе, и не участвует в запоминании данных, не форматируется и не может быть восстановлена после повреждений. Эта поверхность называется DSS (Dedicaded-Servo-Surface) и содержит также индексные метки, соответствующие цилиндрам и секторам диска.

В некоторых типах дисков, сервоинформация пишется в процессе форматирования просто между дорожками. Дисководы с выделенной поверхностью - более быстродействующие и позволяют большие плотности TPI, а с сервоинформацией, встроенной между информационными дорожками имеют большую надежность хранения информации в условиях колебаний температуры, когда взаимные размеры служебного и рабочих дисков могут изменяться.

Соленоидная система привода - это система "с замкнутой петлей управления". Сервосистема, имея 100% отрицательную обратную связь, постоянно следит за положением головок относительно дорожек и корректирует его в процессе работы.

Парковка головок дисководов с соленоидным приводом - пружинная, а дисководов с ШД электрическая, что, в последнем случае, требует автономных источников тока (накопительных емкостей) питания привода для парковки головок при нештатных отключениях питания.

Плата электроники, называемая иногда интерфейсной платой, содержит:

6) формирователи сигналов от датчиков ИНДЕКС, TRACK-0,

7) схемы сопряжения электроники диска с интерфейсом дисковой системы по уровням, логике и т.д.,

8) разъемы для подключения компонент накопителя, интерфейса связи с адаптером дисков и питания.

Для выработки сигналов INDEX и TRACK-0, в HDD нет оптических датчиков, как в FDD, а используются специальные индексные дорожки. После включения питания и разгона шпиндельного двигателя ищется служебная дорожка "-1", устанавливается внутренний счетчик цилиндров, головки перемещаются на цилиндр 0 и сигнал TRACK-0 передается через интерфейс контроллеру. Индексная "дорожка -1" содержит специальную метку для опознания дорожки именно как "-1".

Номенклатура HDD включает много типов дисководов, отличающихся:

Емкость жестких дисков бывает от 20 Мбайт до 80 Гбайт и выше. Дисководы емкостью более 100 Кбайт имеют всегда соленоидный привод и специальное покрытие дисков - напыление магнитного слоя особой структуры, и, тем самым, отличаются повышенными допустимыми продольной и поперечной плотностями записи.

Быстродействие дисковода определяется временем произвольного доступа к информации и зависит от организации хранения данных на диске, скорости вращения пакета дисков и скорости позиционирования головок.

Время доступа к информации на диске складывается из:

1) времени установки головок на требуемый цилиндр и времени успокоения позиционера;

2) времени ожидания подхода искомого сектора к головкам;

3) времени чтения информации с найденного сектора;

4) скорости передачи данных из буфера сектора в DRAM компьютера.

Среднее время установки головок составляет:

Скорость передачи данных определяется, главным образом, применяемым методом кодирования (FM, MFM, RLL), используемым интерфейсом, наличием буферов данных и их объемами.

Максимальная скорость считывания данных вычисляется как

где
w - скорость вращения шпиндельного двигаткля,
N - число секторов на дорожку диска,
n - емкость сектора (количество байтов в секторе),
m - число бит в байте.

Если принять распространенные значения: w = 3600 об/мин, n = 512 байт, m = 8, тогда скорость считывания данных будет определяться количеством секторов на дорожку данного диска

Так, накопитель с 17 секторами на дорожку должен иметь скорость передачи 4.177.920 бит/сек. Реально эту скорость достичь не удается, так как нужно время и для запоминания информации в ОЗУ РС, а пока контроллер и ПДП (или CPU) заняты передачей информации из буфера сектора в ОЗУ, диски продолжают вращаться, так что к концу передачи информации, считанной с предыдущего сектора, следующий сектор бывает уже недоступен (пройден идентификатор следующего сектора) и для чтения требуемого сектора придется ждать еще один оборот диска. Для РС/АТ ранних моделей без прокрутки лишнего оборота мог быть передан только каждый третий сектор, а для РС/ХТ только пятый.

Преодолеть этот недостаток позволяет прием, называемый фактором чередования секторов (Interleave). Смысл его в том, что физические сектора нумеруются (присваиваются адреса) не подряд, а так, чтобы к моменту окончания передачи считанных данных сектора, к головке подходил сектор со следующим по порядку адресом.

Например, при чередовании 3:1 сектора нумеруются в следующем порядке: 1, 7, 13, 2, 8, 14, 3, 9,15, 4 и т. д. Так что, пока контроллер обрабатывает данные из сектора 1, секторы 7 и 13 пройдут мимо головок и к считыванию будет готов сектор 2 и т. д. Выбор фактора чередования (а он устанавливается программно, во время низкоуровневого форматирования диска и записывается как один из параметров конфигурации HDD), должен быть проведен с учетом:

- наличия и скорости работы контроллера ПДП.

Вручную все это учесть достаточно сложно, но помогают некоторые программы тестирования из DOS и NU: CALIBRATE, ROM Diagnostic и др.

Важным, с точки зрения возможности установки HDD в корпусе РС, является форм-фактор:

- 5.25" полной высоты (82 мм), сейчас такие диски уже не выпускаются, но в компьютерах, выпущенных в 80 - 90 годы еще встречаются,

Средство связи HDD с контроллером, интерфейс, должен быть строго согласован для обоих этих устройств. В основном используются следующие типы интерфейсов:

ST-506 - с FM-кодированием, очень устаревший, использовался для РС/ХТ;

ST-506/412 - с MFM-кодированием. Этот интерфейс обладает свойством буферизованного (быстрого) поиска. Его достоинство в том, что он имеет встроенные средства автоконфигурирования и может автоматически изменять тип и параметры диска: число головок, номер цилиндра прекомпенсации, зону парковки головок.

Строго говоря, физические параметры, такие, как количество цилиндров (количество дорожек на каждой из поверхностей диска - определяется диаметром диска и шагом позиционера, управляемого от ШД или служебной поверхности DSS), количество головок (рабочих поверхностей пакета дисков), зона парковки головок, емкость неформатированного диска - неизменны и изменены быть не могут. Но для контроллера эти параметры могут быть и переопределены. Так число головок может быть условно увеличено за счет уменьшения числа дорожек, зона парковки при этом тоже изменится (оставаясь физически той же, самой близкой к центру, еще доступной позиционеру). Начальный цилиндр прекомпенсации при этом тоже изменится, но физически опять-таки оставаясь тем же;

IDE (AT BUS) - достаточно современный скоростной интерфейс, самый популярный до недавнего времени;

ST-412/RLL - интерфейс уже устаревший, но RLL-кодирование (Run Length Limited) поддерживает высокую продольную плотность записи (RLL 2,7 - максимальное число неперемагничивающихся элементарных ячеек носителя - 2 из 7). Способы кодирования FM и MFM тоже могут считаться разновидностями RLL: FM = RLL 0,1; MFM = RLL 1,3.

ESDI - вполне современный интерфейс, использует MFM- или RLL-кодирование и очень многие HDD выпускаются именно с этим интерфейсом;

SCSI - относительно новый тип интерфейса, весьма перспективный, поддерживает технологию P&P (Plug and Play - подключил-и-работай), но требует, чтобы HDD имел встроенный SCSI-контроллер, а сам контроллер шины SCSI является только HOST-адаптером, ведущим, выполняющим функции управления исполнительными контроллерами, которые находятся непосредственно в УВВ, и решает задачу стандартного сопряжения со всеми ведомыми УВВ.

Каждый из приведенных здесь интерфейсов требует, для соединений диска с контроллером (адаптером), своих шлейфов, отличающихся количеством проводов, типом используемых разъемов и даже - числом соединительных шлейфов. Полезно знать их разновидности:

1. Как обеспечивается необходимый для работы дисковода зазор между головками чтения-записи и поверхностью диска в НЖМД?

2. В каких условиях можно разбирать Head Disk Assembly НЖМД?

3. Какие меры предосторожности следует принимать для защиты НЖМД от микроаварий головок?

4. Какие типы приводов головок используются в НЖМД?

5. В чем состоят достоинства и недостатки соленоидного привода головок НЖМД?

6. Для чего служит сервоповерхность пакета дисков НЖМД?

7. Из чего складывается время доступа к информации на диске?

8. Что такое фактор чередования секторов и как он влияет на производительность дисковой
системы РС?

Знаете ли Вы, что в 1974 - 1980 годах профессор Стефан Маринов из г. Грац, Австрия, проделал серию экспериментов, в которых показал, что Земля движется по отношению к некоторой космической системе отсчета со скоростью 360±30 км/с, которая явно имеет какой-то абсолютный статус. Естественно, ему не давали нигде выступать и он вынужден был начать выпуск своего научного журнала "Deutsche Physik", где объяснял открытое им явление. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.