Файл: Введение 3 Жесткие диски 3 Конструкция hdd 3.doc

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Для хранения программ и данных практически все компьютеры используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотни раз превосходит емкость оперативной памяти. Различают накопители со сменными и несменными носителями. Накопители со сменными носителями по способу записи и чтения информации можно подразделить на следующие группы:

• 
  Накопители на гибких (флоппи) магнитных дисках;
  
• 
  Накопители на оптических компакт дисках (CD, DVD);
  
• 
  Накопители на сменных жестких дисках (ZIP, JAZ, SyQuest);
  
• 
  Накопители на сменных магнитооптических дисках;
  
• 
  Стриммеры (или накопители на магнитной ленте);
  
• 
  USB-флэш-диски (драйвы).
  

Среди накопителей с несменными носителями в настоявшее время используется только один тип – накопители на жестких дисках (

---

HDD – Hard Disk Drive), которые часто называют винчестерами. Используется также русское сокращение НЖМД – накопитель на жестких магнитных дисках.

Название «Винчестер»

Название «винчестер» накопитель получил благодаря фирме IBM, которая в 1973 году выпустила накопитель с одним несъемным и одним сменным дисками емкостью по 30 Мбайт. Это устройство получило название «30-30», что означало два диска по 30 МБ каждый. Такое цифровое обозначение (30-30) совпало с обозначением популярного нарезного оружия Winchester, поэтому термин винчестер вскоре стал применяться в отношении любого стационарно закрепленного жесткого диска.

В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус

Жесткие диски

Конструкция HDD

Винчестер по отношению к компьютеру является внутренним (встраиваемым) устройством, которое крепится в специальном монтажном отсеке - drive bays (внешние жесткие диски мы здесь рассматривать не будем). Габаритные размеры винчестеров характеризуются так называемым форм-фактором. Как правило, форм-фактор указывает горизонтальный размер диска. Приведём основные типоразмеры жёстких дисков (Таблица 1).

Таблица 1 Форм-факторы жестких дисков

Размер HDD в дюймах (Форм-фактор)	Типичные габариты, мм	Типичные объёмы, Гбайт
3,5	102 x 25 x 146	40, 60, 80, 120, 160, 200, 250, 300, 400
2,5	70 x 9,5 x 100	30, 40, 60, 80, 100, 150
1,8	54 x 7 x 70	20, 30, 40
1	30 x 5 x 40	2, 4
0,8	24 x 4 x 30	2, 4

Для настольного компьютера предлагаются 3,5-дюймовые диски, для ноутбуков – 2,5-дюймовые. Диски размером 1,8- и 1 дюймов используются в различной электронике, в основном в видео и аудиоплеерах. Наконец, 0,8 дюймов – специальная серия дисков для сотовых телефонов.

Весь накопитель на жестких дисках, как устройство, делится на две крупные составляющие: плату электроники и гермозону или «банку», внутри которой уже находятся магнитные диски, блок магнитных головок, шпиндельный двигатель

---

.

Гермозона (герметичная зона) - полость жесткого диска, закрытого корпусом из прочного сплава внутри которого находиться очищенный от частиц пыли воздух. Герметична эта зона именно для того, чтобы не допустить попадания пыли внутрь винчестера. Гермозона обычно не является абсолютно герметичной, так как в конструкции жестких дисков присутствует специальное технологическое отверстие с очищающим фильтром для доступа воздуха и выравнивания давления – барометрический фильтр, который способен задерживать частицы размером более 0,3 мкм, что соответствует стандартам чистоты атмосферы внутри жесткого диска. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а так же при прогреве устройства во время работы.

Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, а также частички, которые осыпаются с дисков при вращении, сносятся на ещё один фильтр — рециркуляции т.е. пылеуловитель.

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава (существуют модели с керамическими и даже стеклянными пластинами). Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика — окислов железа, марганца и других металлов. Обычно диски содержат от 1 до 3 пластин, но существуют модели с большим числом пластин.



Рисунок 1 Конструкция жесткого диска

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Пакет дисков приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту. Характерная скорость вращения позволяет косвенно судить о производительности (внутренней скорости). Чем выше скорость вращения, тем больше скорость обмена информацией с диском, но высокие скорости вращения порождают проблемы, связанные с балансировкой, тепловыделением, гироскопическим эффектом и аэродинамикой головок. Современные диски имеют характерные скорости вращения от 3600 об/мин до 15000 об/мин (домашние системы – 5400 и 7200 об/мин, специализированные серверные жёсткие диски разгоняются до 10 000 15 000 об/мин). Для стабилизации скорости вращения используется схема управления двигателем с обратной связью (автоподстройкой).

---

Следующий элемент в конструкции жесткого диска, который мы рассмотрим, это блок магнитных головок или БМГ. Блок магнитных головок называется блоком потому, что конструктивно, кроме самих головок чтения-записи на нем расположена микросхема предварительного усилителя-коммутатора, которая усиливает сигнал, получаемый при чтении информации с магнитного диска.

Собственно блок головок это пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый диск) Каждая головка установлена на конце рычага на пружине, слегка прижимающего ее к диску. Диск как бы зажат между парой головок. Когда накопитель выключен, головки касаются дисков под действием пружин. При раскручивании дисков аэродинамическое давление под головками повышается, и они отрываются от рабочих поверхностей. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. При полной скорости диска зазор между поверхностью диска и головкой составляет 0,08 - 0,12 мкм. Из-за малого размера этого зазора блок гермоблок можно вскрывать только в абсолютно чистых помещениях, т.к. любая пылинка может привести к ошибкам при считывании данных и даже столкновении головок с диском.

С помощью механизма привода головок головки перемещаются от центра диска к его краям (перемещение головок происходит не по прямой линии, а по радиусу) и устанавливаются на заданный цилиндр. Устройство позиционирования головок состоит из сильного постоянного магнита и катушки на подвижном блоке головок. При появлении в катушке электрического тока она смещается относительно жестко закрепленного постоянного магнита, передвигая при этом блок головок. Для позиционирования головок используется специальная система наведения, которая точно подводит головки к нужному цилиндру.

Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. В настоящее время используются магниторезистивные (MR – Magneto-Resistive) головки, которые представляют собой симбиоз двух типов головок: магниторезистивная часть предназначена для чтения, а для записи – индуктивная тонкопленочная часть. Через MR-головку протекает ток, когда головка проходит над участками диска с разным значением намагниченности ее сопротивление изменяется. А раз меняется сопротивление, то меняется и ток. Применение таких типов головок потребовало применение системы изменения зазора во время работы. Дело в том, что для записи зазор должен быть больше, чем для считывания.

---

Так как 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), поскольку высота полета магнитной головки зависит от разреженности воздуха. В разряженном воздухе просвет между головкой и диском слишком мал.

Геометрия магнитного диска

С целью адресации пространства поверхности пластин диска делятся на дорожки (треки) — концентрические кольцевые области. Каждая дорожка делится на равные отрезки — сектора. Сектор является минимальной адресуемой областью данных. Стандартный размер сектора – 512 байт. (Некоторые производители дисков планируют переход на размер сектора 4096 байт). Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа накопителя. Например, дорожка жесткого диска может содержать от 63 до 700 секторов. Сектора имеют сквозную нумерацию, начиная с 1.

Современные накопители со встроенными быстродействующими контроллерами, способны за один оборот диска записать или считать все секторы дорожки.



Рисунок 2 Геометрия HDD

Цилиндр — совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жесткого диска. Все головки накопителя перемещаются одновременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми номерами.

Данные на чистый диск начинают записываться с внешнего цилиндра.
Номер головки задает используемую рабочую поверхность (то есть конкретную дорожку из цилиндра), а номер сектора — конкретный сектор на дорожке.

Адресация CHS

В простейшем случае для указания конкретного сектора диска используется система адресации по физическим адресам накопителей, т.е. сектор адресуется по его физическому положению на диске тремя координатами — номером цилиндра, номером головки и номером сектора. Название CHS это сокращение от английского Cylinder, Head, Sector. Адресация CHS предполагает, что все дорожки в заданной зоне диска имеют одинаковое число секторов. В современных дисках координаты CHS уже не соответствуют физическому положению сектора на диске и являются «логическими координатами» (см. Логическая геометрия ниже)

Для стандартного размера сектора емкость диска находится по следующей формуле:

---