Блок ПЗУ.
Диски.
Магнітний диск – кругла пластина з легких сплавів на основі алюмінію або, в рідких випадках, з кераміки або спеціального скла, на поверхню якої наносять шар кобальту вакуумним напилюванням для додання диску магнітних властивостей. Технологія напилювання магнітного диска близька до тієї, котра використається при виробництві інтегральних мікросхем.
Магнітне покриття диска являє собою безліч дрібних областей, називаних доменами, які під впливом зовнішнього магнітного поля, створюваного магнітними голівками при записі інформації, міняють вектор намагніченості.
Рис. 7.1. Елементи накопичувача на жорстких магнітних дисках
Рис. 7.2. Накопичувач на жорстких магнітних дисках
Після припинення дії зовнішнього поля на поверхні диска утворяться зони залишкової намагніченості. У такий спосіб зберігається записана на диск інформація. Ділянки залишкової намагніченості, виявившись при обертанні диска напроти магнітної голівки, наводять у ній електрорушійну силу, що дозволяє зчитати інформацію назад. Усередині жорсткого диска може бути встановлено кілька пластин магнітних дисків, жорстко посаджених на вал шпиндельного двигуна. Кількість робочих поверхонь, відповідно, удвічі більше (по двох на кожному диску).
Під час роботи шпиндель обертається зі швидкістю кілька тисяч оборотів у хвилину (3600, 4200, 5400, 5900, 7200, 9600, 10000, 15000).
При такій швидкості поблизу поверхні пластини створюється потужний повітряний потік, що піднімає голівки й змушує їх парити над поверхнею пластини.
Форма головок розраховується так, щоб при роботі забезпечити оптимальну відстань від пластини. Поки диски не розігналися до швидкості, необхідної для "зльоту" головок, паркувальний пристрій утримує головки в зоні паркування. Це запобігає пошкодженню головок і робочої поверхні пластин.
Шпиндельний двигун жорсткого диска трифазний, що забезпечує стабільність обертання магнітних дисків. Статор двигуна містить три обмотки, які включені зіркою з відводом посередині, а ротор – постійний секційний магніт. Для забезпечення малого биття на високих оборотах в двигуні використовуються гідродинамічні підшипники.
У жорстких дисках розмітка на сектори проводиться в процесі виготовлення накопичувача шляхом запису на диску сервоміток (рис. 7.3), які створюються за допомогою спеціального високоточного зовнішнього механічного пристрою через технологічне вікно в герметичному блоці, яке після завершення розмітки заклеюється.
Рис. 7.3. Приклад серворозмітки
Для контролю за переміщенням магнітних головок у час розмітки використовується лазерний вимірювач відстані. Сервомітки наносяться на робочу поверхню магнітного диска, утворюючи циліндричні доріжки, розташовані на однаковому відстані від центру обертання магнітного диска. Кожна доріжка форматується на різну кількість секторів в залежності від довжини кола, забезпечуючи постійну щільність запису.
При звичайній роботі жорсткого диска сервомітки, що знаходяться між секторами, виділяються з потоку даних накопичувача і використовуються для утримання магнітної головки над необхідної доріжкою незалежно від зовнішніх впливів і теплової деформації елементів, а так само для ідентифікації секторів і стабілізації частоти обертання магнітного диска шпиндельним двигуном.
Сервоінформація є основою розмітки диска, і при її псуванні контролер жорсткого диска не може відновити її самостійно. Зазвичай це супроводжується стукотом позиціонера об механічні обмежувачі і "зависанням" накопичувача.
Пристрій позиціонування головок.
Пристрій позиціонування головок складається з нерухомої пари сильних неодимових постійних магнітів, а також котушки на рухомому блоці головок.
У середині гермозони немає вакууму. Одні виробники роблять її герметичною (звідси й назва) і заповнюють очищеним і висушеним повітрям або нейтральними газами, зокрема, азотом; а для вирівнювання тиску встановлюють тонку металеву або пластикову мембрану.
Вирівнювання тиску необхідно, щоб запобігти деформації корпусу гермозони при перепадах атмосферного тиску і температури, а також при прогріванні пристрою під час роботи.
Порошинки, що опинилися при складанні в гермозоні і потрапили на поверхню диска, при обертанні зносяться на ще один фільтр – пиловловлювач.
Блок управління.
Блок управління являє собою систему управління, яка приймає електричні сигнали позиціонування головок.
Вона виробляє керуючі впливи:
- приводом типу "звукова котушка";
- комутації інформаційних потоків з різних головок;
- управління роботою всіх інших вузлів (наприклад, керування швидкістю обертання шпинделя);
- прийому і обробки сигналів з датчиків пристрою (система датчиків може включати в себе одноосний акселерометр, що використовується в якості датчика удару, тривісний акселерометр, якій використовується в якості датчика вільного падіння, датчик тиску, датчик кутових прискорень, датчик температури).
Блок ПЗУ зберігає керуючі програми для блоків управління і цифрової обробки сигналу, а також службову інформацію вінчестера.
Буферна пам'ять.
Буферна пам'ять згладжує різницю швидкостей інтерфейсної частини і накопичувача (використовується швидкодіюча статична пам'ять). Збільшення розміру буферної пам'яті в деяких випадках дозволяє збільшити швидкість роботи накопичувача.
Блок цифрової обробки сигналу.
Блок цифрової обробки сигналу здійснює очищення зчитаного аналогового сигналу і його декодування (витягання цифрової інформації). Для цифрової обробки застосовуються різні методи, наприклад, метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood – максимальна правдоподібність при неповному відгуку). Здійснюється порівняння прийнятого сигналу із зразками. При цьому вибирається зразок, найбільш схожий за формою і тимчасовим характеристикам з сигналом, що декодується.
На заключному етапі складання пристрою поверхні пластин форматуються – на них формуються доріжки і сектори. Конкретний спосіб визначається виробником або стандартом, але, як мінімум, на кожну доріжку наноситься магнітна мітка, що позначає її початок.
З метою адресації простору поверхні пластин диска діляться на доріжки – концентричні кільцеві області. Кожна доріжка ділиться на рівні відрізки – сектори.
Циліндр – сукупність доріжок, рівновіддалених від центру, на всіх робочих поверхнях пластин жорсткого диска.
Номер головки задає використовувану робочу поверхню (тобто конкретну доріжку з циліндра), а номер сектора – конкретний сектор на доріжці.
Адресація даних
Існує 2 основних способи адресації секторів на диску: циліндр-голівка-сектор (cylinder-head-sector, CHS) і лінійна адресація блоків (linear block addressing, LBA).
CHS. При цьому способі сектор адресується по його фізичному положенню на диску 3-ма координатами – номером циліндра, номером голівки і номером сектора.
Щоб використовувати адресацію CHS, необхідно знати геометрію використовуваного диска:
- загальна кількість циліндрів;
- кількість головок;
- кількість секторів.
Спочатку цю інформацію було потрібно задавати вручну; в стандарті АТА-1 була введена функція автовизначення геометрії (команда Identify Drive).
У сучасних дисках із вбудованими контролерами ці координати вже не відповідають фізичному положенню сектора на диску і є "логічними координатами".
LBA. При цьому способі адресу блоків даних на носії задається за допомогою логічної лінійної адреси. LBA-адресація почала впроваджуватися і використовуватися в 1994 році спільно зі стандартом EIDE (Extended IDE).
Стандарти ATA вимагають однозначної відповідності між режимами CHS і LBA: LBA = [(Cyl * HDS + HD) * SPT] + (Sec – 1).
Тут Cyl, HD і Sec – логічні номери циліндра, головки і сектора в просторі CHS; HDS – кількість головок, SPT – кількість секторів на треку.
Метод LBA відповідає Sector Mapping для SCSI. BIOS SCSI-контролер виконує ці завдання автоматично, тобто для SCSI-інтерфейсу метод логічної адресації був характерний спочатку.
Технології запису даних
Робоча поверхня диска рухається відносно голівки, що зчитує (наприклад, у вигляді котушки індуктивності із зазором в магнітопроводі).
При подачі змінного електричного струму (при записі) на котушку головки, виникаюче змінне магнітне поле із зазору головки впливає на феромагнетик поверхні диска і зраджує напрям вектора намагніченості доменів в залежності від величини сигналу.
При зчитуванні переміщення доменів у зазору головки приводить до зміни магнітного потоку в магнітопроводі головки, що приводить до виникнення змінного електричного сигналу в котушці із-за ефекту електромагнітної індукції.
Останнім часом для зчитування застосовують магніторезистивного ефекту і використовують в дисках магніторезистивні головки. У них зміна магнітного поля приводить до зміни опору, залежно від зміни напруженості магнітного поля. Подібні головки дозволяють збільшити вірогідність зчитування інформації (особливо при великій щільності запису інформації).
Метод паралельного запису. Біти інформації записуються за допомогою маленької голівки, яка, проходячи над поверхнею обертового диска, намагнічує мільярди горизонтальних дискретних областей – доменів (рис. 7.4).
Кожна з цих областей є логічним 0 або 1, залежно від намагніченості.
Максимально досяжна при використанні даного методу щільність запису становить близько 23 Гбіт/см². В даний час відбувається поступове витіснення даного методу методом перпендикулярного запису.
Рис. 7.4. Паралельний магнітний запис
Метод перпендикулярного запису Метод перпендикулярного запису – це технологія, при якій біти інформації зберігаються у вертикальних доменах. Це дозволяє використовувати більш сильні магнітні поля і знизити площу матеріалу, необхідну для запису 1 біта. Щільність запису у сучасних зразків – 60 Гбіт/см².
S.M.A.R.T. (self-monitoring, analysis and reporting technology – технологія самоконтролю, аналізу та звітності) – технологія оцінки стану жорсткого диска вбудованою апаратурою самодіагностики, а також механізм передбачення часу виходу його з ладу.
У процесі роботи жорсткого диска магнітна поверхня може втратити здатність зберігати інформацію внаслідок розмагнічування або механічного пошкодження. При виявленні нового збійного сектора електроніка накопичувача фіксує цей факт в SMART і замінює в трансляторі фізичне розташування сектора на нове в заздалегідь зарезервованої для цього випадку області даних на магнітному диску. Логічна же адреса, за якою до жорсткого диска звертаються за даними, залишається колишнім. Такий метод приховування дефектів отримав назву "метод заміщення" (ReAssign) або "перебудова карти секторів" (ReMap).
Продуктивність дискової системи
Продуктивність дискової системи залежить від швидкодії кінематики жорсткого диска. Механічні рухомі деталі поки залишаються самою повільною ланкою в ланцюзі передачі даних від магнітної поверхні диска в оперативну пам'ять комп'ютера.
Найбільш тривалими фазами в операціях читання/запису даних є:
- Пошук доріжки та зчитування декількох сервоміток для точного позиціонування магнітної головки на доріжці, що містить необхідний сектор.
- Очікування повороту диска на кут, необхідний для доступу до сектору ідентифікованої доріжки (середньостатистичне – половина обороту магнітного диска).
Швидкісні характеристики жорсткого диска зазвичай визначається двома параметрами:
- середнім часом доступу (результат ділення часу, який потрібний для серії читань випадкового сектора, на кількість лічених секторів);
- середньою швидкістю читання (кількість секторів, послідовно лічених з поверхні магнітного диска за певний проміжок часу).
Однак часто використовуються і додаткові параметри, що дозволяють більш точно визначити продуктивність дисків системи в цілому:
- буферізована швидкість читання (швидкість обміну інформацією між контролером материнської плати і контролером жорсткого диска);
- стійка швидкість читання (найбільш часто повторювана швидкість при послідовному читанні однакових блоків інформації).
Підвищення швидкості переміщення магнітних головок обмежується інерційністю досить масивної системи позиціонування і руйнівною вібрацією, що виникає при швидких хаотичних (незбалансованих) зворотно-поступальних рухах механічних компонентів жорсткого диска.