Компоненты накопителей на магнитных дисках.

Пластины дисков могут быть гибкими и жесткими. Размер пластин дисков со временем, и под действием перепада температур не должен существенно изменяться. Для пластин гибких дисков используют майлар или лавсан, для жестких — обычный алюминий. На по­верхность пластины наносят рабочий магнитный слой, основой которого чаще всего является окись железа. Хранимую информа­цию представляет состояние намагниченности отдельных участ­ков рабочей поверхности. От качества материала рабочего слоя (коэрцитивной силы, размера зерна) зависит допустимая плот­ность записи информации. Более высокой плотности хранения информации позволяет добиться применение металлического но­сителя. Механическая прочность и устойчивость рабочего слоя определяют долговечность носителя.

Традиционно для записи и считывания информации использу­ются магнитные головки, представляющие собой миниатюрные катушки индуктивности, намотанные на магнитном сердечнике с зазором. При записи головка намагничивает участок магнитного слоя, проходящий под рабочим зазором, в направлении, опреде­ляемом направлением протекающего тока. При проходе намагни­ченных участков поверхности около индуктивной головки считы­вания в момент смены направления намагниченности в ней наводятся импульсы эдс, полярность которых определяется зна­ком смены направления.

Частота вращения дисков у разных накопителей различна. У накопителей на гибких дисках она составляет 300 или 360 об/мин, в распространенных накопителях па жёстких дисках — 3600 об/мин и более. Чем выше частота вращения, тем больше ско­рость обмена информацией с диском. У наиболее быстрых дисков частота достигает 7200 об/мин. Однако высокие частоты враще­ния порождают проблемы, связанные с балансировкой, гироско­пическим эффектом и аэродинамикой головок. Из-за гироскопи­ческого эффекта не рекомендуется перемещение (точнее, смена ориентации оси шпинделя) включенных накопителей с вращаю­щимся шпинделем. Накопители для портативных компьютеров разрабатываются с учетом этих эффектов.

Для магнитных головок весьма критично расстояние от голо­вки до поверхности магнитного слоя носителя. В накопителях на гибких дисках в нерабочем положении головка поднята над по­верхностью диска на несколько миллиметров, а в рабочем — при­жимается к поверхности диска специальным электромагнитным приводом. Однако непосредственный контакт головки с поверх­ностью допустим лишь при малых скоростях движения носителя. В накопителях с высокой частотой вращения головки поддержи­ваются на микроскопическом расстоянии от рабочей поверхнос­ти аэродинамической подъемной силой. «Падение» головки на рабочую поверхность, которое произойдет, если диск остановит­ся, может повредить как головку, так и поверхность диска. Чтобы этого не происходило, в нерабочем положении головки паркуют­ся — отводятся в нерабочую зону, где допустимо их «приземле­ние».

В качестве привода для позиционирования головок на нужный цилиндр в накопителях на гибких дисках и старых винчестерах применяются шаговые двигатели. Эти двигатели под действием серии импульсов, подаваемых на их обмотки, способны повора­чивать свой вал на определенный угол. Угол должен быть кратен минимальному шагу, определяемому конструкцией двигателя. Вращательное движение вала шагового двигателя преобразуется в поступательное с помощью червячного механизма или металли­ческой ленты, намотанной на вал. Таким образом, поворот вала двигателя на один шаг приводит к перемещению блока головок на один цилиндр. Червячная передача должна быть высококачест­венной — люфты в ней будут приводить к погрешности позици­онирования. Ленточная передача в принципе свободна от люф­тов, она обеспечивает более высокую точность и быстродействие позиционирования. Однако под действием изменения температу­ры и со временем из-за износа положение треков на носителе, задаваемое только шаговым двигателем, будет меняться, и ранее за­писанная информация может перестать считываться. Требованияк точности позиционирования растут с повышением плотности хранения информации (количества цилиндров на диске), а быст­родействие позиционирования определяет время доступа, кото­рое, естественно, стремятся уменьшить.

Выход на ну­левую дорожку определяется по датчику нулевого цилиндра, в ка­честве которого обычно применяется оптоэлектронная пара с флажком, связанным с блоком головок. Точное положение датчи­ка нулевого цилиндра для несменных дисков не так уж сущест­венно — главное, чтобы оно не менялось после процедуры низко­уровневого форматирования, о которой речь пойдет ниже. Для накопителей со сменными носителями положение нулевого ци­линдра существенно — для обеспечения совместимости накопи­телей у всех устройств его положение должно совпадать. Однако датчик задает положение нулевого цилиндра лишь грубо — он оп­ределяет только номер шага привода, на котором головки нахо­дятся напротив нулевого цилиндра. Более точной положение можно отрегулировать вращением корпуса двигателя в пределах нескольких градусов. В накопителях с шаговым приводом доволь­но сложно осуществить автоматическую парковку головок, по­скольку для этого необходимо сформировать серию импульсов управления шаговым двигателем. В случае внезапного отключе­ния питания для автопарковки должна быть запасена энергия. Иногда в качестве хранилища энергии используется сам пакет дисков: при отключении питания шпиндельный двигатель начи­нает работать как генератор, обеспечивая питание схемы и шаго­вого двигателя на время автопарковки.

В большинстве накопителей на жестких дисках применяется поворотный привод. Управляя направлением и силой тока, можно быстро перевести блок головк в любое положение – произвольное, а не по фиксированным шагам. Но в такой системе позиционирования необходима обратная связь – информация о текущем положении головок, по которой контроллер может управлять приводом.

Привод, обеспечивающий точное позиционирование по сигналу обратной связи, называется серво­приводом. Управление сервоприводом может быть оптимизиро­вано по времени установления головок на требуемую позицию: когда отклонение велико, можно подавать большой ток, вызыва­ющий большое ускорение блока. По мере приближения головок к центру диска ток уменьшается, а для компенсации инерции в конце позиционирования ток может и поменять направление (ак­тивное торможение), Такая система привода позволяет сократить время доступа до единиц миллисекунд против сотен миллисекунд, характерных для шагового привода.

В первых накопителях с линейным приводом использовались специальная зубчатая рейка и магнитный датчик, по сигналу ко­торого считывается номер трека. Однако по отношению к диску такая система привода была разомкнутой. Замкнуть систему уп­равления позволило размещение сервометок — вспомогательной информации для «системы наведения» — прямо на диске. В та­ком случае изменение размеров диска и привода под действием температуры и других факторов перестает существенно влиять на точность позиционирования, поскольку сервометки располага­ются на тех же искомых треках. Сервометки записываются при сборке накопителя. В процессе эксплуатации сервометки только считываются, а серводорожки построены таким образом, что по считываемым сигналам обеспечивается быстрая и точная иденти­фикация положения головки для поиска и слежения за ее поло­жением относительно найденного трека.

В накопителях со встроенными сервометками информация для сервопривода записывается на рабочих поверхностях между сек­торами с данными. Преимущество встроенных сервометок в том, что они поз­воляют компенсировать любые изменения геометрии, поскольку система наводит головки именно по тому треку, к которому вы­полняется доступ.

Для накопителей с подвижной катушкой проблема автопарковки решается просто: блок головок при обесточивании серво­привода может быть легко установлен в зону парковки с помо­щью пружины. В старых накопителях с линейным приводом для возврата головок в исходное состояние использовали энергию, запасенную в конденсаторе. Вся электромеханическая часть накопителя — пакет дисков со шпиндельным двигателем и блок го­ловок с приводом — заключается в защитный кожух. Совершен­но очевидно, что в корпусах накопителей воздух должен быть чи­стым: мелкая частица, попавшая под головку, под которой пролетает носитель со скоростью в несколько десятков километ­ров в час, может поцарапать головку или диск. Обычно кожух не герметичен — в нем имеется отверстие, закрытое фильтром, обеспечивающее выравнивание давления внутри сборки с атмо­сферным. Кроме этого фильтра, называемого барометрическим, имеется еще и внутренний рециркуляционный фильтр. Он уста­навливается на пути потока воздуха, увлекаемого вращающимся пакетом дисков, и улавливает частицы, которые могут выбивать­ся из поверхности дисков при «взлете» и «посадке» головок. Кро­ме пыли, в корпусе накопителя могут образоваться капельки кон­денсата влаги. Если накопитель находится на морозе, то в теплом помещении перед включением он должен быть выдержан не­сколько часов, пока конденсат не испарится с отогревшихся час­тей. Если запустить несогревшийся накопитель, последствия для рабочих поверхностей могут быть фатальными, особенно если го­ловки примерзнут к пластинам. Существуют, конечно, и специ­альные накопители для работы в особых климатических услови­ях. Они могут иметь герметический корпус, который выдерживает разность внутреннего и наружного давления.

Кроме механики, дисковый накопитель должен иметь и блок электроники, управляющий приводами шпинделя и головок, а также обслуживающий сигналы рабочих головок записи/считы­вания. Контроллером накопителя называют электронное устрой­ство, на одной (интерфейсной) стороне которого обмен идет бай­тами команд, состояния и, конечно же, записываемой и считываемой информации, а другая сторона связана с блоком го­ловок. В современных накопителях на жестких дисках с интер­фейсом АТА и SCSI контроллер расположен на плате электрони­ки, смонтированной вместе с блоком головок. В накопителях на гибких дисках на плате электроники смонтированы только схемы управления двигателями, усилители-формирователи сигналов за­писи и считывания, датчика индекса и некоторых других. Кон­троллер гибких дисков вынесен на специальную плату адаптера или размещается в системной плате. Объединение контроллера с блоком HDA позволяет решить многие проблемы оптимизации накопителей.

В накопителях применяют привод головок с по­движной катушкой, работающий по принципу звуковой катушки динамика. В таком приводе блок головок связан с катушкой ип-дуктивности, помещенной в магнитное поле постоянного магни­та. При протекании тока через катушку на нее начинает действо­вать сила, пропорциональная силе тока, которая вызовет переме­щение катушки, а следовательно, и блока головок. Привод может быть линейным и поворотным. В накопителе с линейным приво­дом катушка с блоком головок перемещается по радиусу дисков. Такой привод применялся в накопителях больших ЭВМ. В нако­пителе с поворотным приводом блок головок с катушкой разме­щен на поворотной рамке, и траектория головок отлича­ется от радиальной. При этом направление движения головки относительно трека меняется при ее перемещении, и эта погреш­ность нежелательна для работы головок записи и считывания. Тем не менее с этой неприятностью, отсутствующей в случае ли­нейного привода, мирятся из-за относительной простоты испол­нения, меньших габаритов, а следовательно, и меньшей инерци­онности поворотного привода.