Главная страницаОбратная связьКарта сайта

Устройство накопителей


После краткого изучения основных понятий и принципов работы накопителей на жестких дисках имеет смысл рассмотреть их конструкции и взаимодействие между собой основных узлов. Разбирать жесткие диски приходится чрезвычайно редко, но вам будет проще ориентироваться в способах их проверки и возможных неисправностях, если вы будете представлять назначение и расположение узлов накопителей. Устройство жесткого диска схематически показано на рис. 13.9. Далее мы подробнее рассмотрим следующие узлы: каркас, магнитные диски, головки чтения/записи, механизмы привода головок, двигатель привода дисков и схема управления.



Рис. 13.9 Устройство накопителя на жестких дисках Maxtor D540X

Каркас

От механических свойств каркаса (шасси) в значительной степени зависит качество работы жесткого диска. Конструкцией и материалом каркаса определяется механическая прочность конструкции, ее температурная стабильность и электрическая целостность накопителя. Каркас должен быть жестким и служить надежной опорой для смонтированных на нем компонентов. Шасси относительно крупногабаритных накопителей обычно отливают из дюралюминия, у малогабаритных жестких дисков, используемых в переносных компьютерах, каркасы могут быть сделаны из пластмассы. И это вполне логично — чем больше устройство, тем прочнее должен быть его корпус. В конечном счете, материал, из которого сделано шасси, практически полностью определяется типоразмером накопителя.

Магнитные диски

Как уже говорилось выше, магнитные диски — это пластины из алюминия, стекла или керамического композиционного материала, предназначенные для работы в достаточно тяжелых условиях. Они покрыты с обеих сторон слоем ферромагнитного материала (который и является собственно носителем информации), поверх которого нанесено еще и защитное покрытие. Подготовленные и отполированные диски собираются в «стопку» и закрепляются на роторе шпиндельного двигателя. Отметим, что в некоторых накопителях имеется только один магнитный диск. Перед монтажом пакета магнитных дисков на шасси в-промежутки между ними вводится «гребенка» головок чтения/записи. Как правило, для записи и считывания данных с каждой из рабочих поверхностей дисков используется только одна головка, поэтому в накопителе с двумя магнитными дисками могут быть установлены три (если используются выделенные серво-коды) или четыре головки для чтения/записи данных. В процессе эксплуатации накопителя пакет магнитных дисков вращается с частотой от 5200 до 10 000 об/мин.

Головки чтения/записи


Головки чтения/записи вдисковых накопителях играют роль интерфейса между электронными узлами и магнитным рабочим слоем. При записи головка преобразует электрический сигнал в переменное магнитное поле, под воздействием которого участки рабочего слоя, проходящие под головкой, приобретают остаточную намагниченность. При операциях считывания процесс протекает в обратном направлении. В результате вращения дисков под головками проходят участки поверхности с разной по знаку остаточной намагниченностью. Это приводит к изменениям магнитной индукции в зазоре головки и появлению переменного напряжения на концах ее обмотки. Эти переменные электрические сигналы усиливаются, фильтруются и преобразуются в соответствующие логические уровни. Режим работы головки (запись или считывание) определяется самим накопителем в зависимости от поступивших в него команд.

Первые головки чтения/записи накопителей на жестких дисках были похожи на головки дисководов гибких дисков — сердечник из магнитно-мягкого железа с обмоткой из тонкого медного провода, содержащей от 8 до 34 витков. Эти головки были громоздкими идо-вольно массивными, что, с одной стороны, не позволяло разместить на поверхности магнитного диска достаточно большое количество дорожек, и, с другой стороны, приводило к значительным задержкам, поскольку система позиционирования головок должна была преодолевать их большую инерцию. Практически во всех современных конструкция жестких дисков разработчики отказались от традиционных головок с намотанными катушками в пользу тонкопленочных головок. Тонкопленочные головки изготавливаются по той же технологии, что и интегральные микросхемы и рабочие слои магнитных дисков, то есть с использованием фотохимических процессов и вакуумного напыления. В результате головки чтения/записи стали малогабаритными, чувствительными и долговечными, а качество обращенной к носителю поверхности — исключительно высоким. Тем не менее, физические принципы работы таких головок остались без изменений — в них также имеется магнитный сердечник с зазором и «катушка» из нескольких витков напыленных на подложку проводников. Малые размеры головок позволяют уменьшить ширину дорожек записи и расстояние между ними (в современных накопителях большой емкости количество цилиндров может превышать 16 000), а снижение их массы привело к сокращению времени перемещения головок с цилиндра на цилиндр. В результате повышения качества поверхностей головок удалось снизить высоту их «полета» над носителями до долей мкм.

Головки закрепляются на длинных металлических рычагах, которые, как и магнитные диски, объединяются в пакеты-«гребенки». Пакет закрепляется на поворотной оси и приводится в движение (поворачивается) механизмом привода головок (рис. 13.10). Микросхема предусилителя чтения/записи обычно монтируется на небольшой печатной плате, которая устанавливается на пакете головок или на подвижной части механизма привода. Полученный таким образом блок поворотного привода, включающий пакет головок, механизм привода и предусилитель, размещается в изолированном отсеке HDA вместе с магнитными дисками и практически недоступен — вскрывать его допускается только в «чистой комнате». Для изоляции HDA используется крышка с герметизирующей прокладкой.



Рис. 13.10 Блок поворотного привода головок (Maxtor Corporation)

Механизмы привода головок

В отличие от дисководов гибких дисков, в которых головки чтения/записи перемещаются строго вдоль радиусов носителей с помощью шаговых двигателей, в накопителях на жестких дисках головки при перемещениях между внутренними и внешними дорожками описывают дуги относительно большого радиуса. В подавляющем большинстве современных жестких дисков для приведения головок в движение используются приводы с подвижной катушкой (иногда их называют приводами с поворотной катушкой или сервоприводами)1. В приводах с подвижной катушкой используется тот же принцип, на котором построены аналоговые измерительные приборы: подпружиненная катушка индуктивности

Соответствующие английские термины: voice coil actuator (или motor), rotary coil actuator и servo drive. Первый из них нуждается в некотором пояснении. Дело в том, что принцип работы данного привода аналогичен тому, что используется в звуковых динамических головках — катушка, по которой протекает переменный ток, движется в поле постоянного магнита. Что касается термина servo drive, то он относится ко всем приводам с обратной связью. — Прим. ред.располагается в поле постоянного магнита. Электрический ток, протекающий через катушку, взаимодействует с полем постоянного магнита и, в зависимости от своей величины и полярности, порождает усилие, втягивающее или выталкивающее катушку из поля. Рычаги, на концах которых закреплены головки, жестко связаны с катушкой, поэтому мо­мент их вращения прямо пропорционален величине протекающего через катушку тока. Чем больше ток — тем большее усилие возвратной пружины способны преодолеть головки и тем значительнее их отклонение. Переход с одного цилиндра на другой осуществляется за счет увеличения или уменьшения управляющего тока; в дальнейшем он должен поддерживаться на постоянном уровне. Приводы с подвижной катушкой отличаются малыми габаритами и небольшим весом, что позволяет снизить задержки и уменьшить размеры накопителей на жестких дисках.

Двигатель привода дисков

Одним из важнейших факторов, определяющих быстродействие жесткого диска, является скорость, с которой рабочий слой проходит под головками чтения/записи. Она зависит от радиуса дорожки и от частоты вращения магнитных дисков, которая в старых моделях накопителей составляла 3600 об/мин, а в современных устройствах достигает 15 000 об/мин. Диски приводятся во вращение шпиндельным двигателем, в качестве которого обычно используется бесконтактный электродвигатель постоянного тока плоской конструкции (по виду весьма похожий на аналогичные двигатели дисководов гибких дисков).

В старых моделях накопителей для стабилизации частоты вращения дисков использовалась отдельная система автоматического регулирования (автоподстройки) с магнитными или оптронными датчиками, закрепленными на валу или роторе двигателя. В современных устройствах сигналы, пропорциональные частоте вращения двигателя, извлекаются из потока считываемых с дисков данных, поэтому подсистема стабилизации частоты вращения связана с подсистемой считывания и декодирования данных. Шпиндельный двигатель и датчики частоты вращения (в старых накопителях) располагаются в изолированном блоке HDA.

В старых накопителях для остановки дисков после отключения питания использовались резиновые или пробковые стопорные прокладки, но практически во всех IDE-накопителях используется метод динамического торможения. Он основан на том известном обстоятельстве, что любой электродвигатель может работать «наоборот», т.е. преобразовывать механическую энергию в электрическую, выполняя функции динамо-машины. При отключении питания накопителя диски продолжают по инерции вращаться, и на обмотке двигателя появляется напряжение. Если к ней подключить электрическую цепь (например, просто замкнуть выводы обмотки), то по этой цепи потечет электрический ток и механическая энергия вращающихся дисков очень быстро превратится в тепловую. При этом неизбежен некоторый нагрев обмотки, но он не представляет для нее ни малейшей опасности. В итоге диски останавливаются без использования дополнительных механических устройств, что благотворно сказывается на надежности и долговечности накопителей. Следует заметить, что в старых накопителях с приводом головок от шагового двигателя запасенная во вращающихся дисках энергия использовалась с большей пользой. Напряжение, вырабатываемое «динамо-машиной» в течение некоторого времени после выключения накопителя, использовалось для питания шагового двигателя, который отводил головки в зону парковки.

Схемы управления

Для управления накопителями на жестких дисках используются весьма сложные электронные схемы. Плата с электронными компонентами крепится снизу к шасси накопителя. На ней смонтированы узлы, обеспечивающие обмен информационными и управляюшими сигналами с тем или иным интерфейсом (IDE, SCSI), схемы позиционирования головок чтения/записи, устройства кодирования и декодирования информации при записи и считывании, а также схема управления шпиндельным двигателем. Каждая из перечисленных подсистем должна выполнять свои функции с высокой точностью. Тем не менее, несмотря на высокие требования, предъявляемые к электронике накопителя, и ее сложность, всю схему управления удается разместить на единственной печатной плате.



Рис. 13.11 Функциональная схема электроники жесткого диска
На рис. 13.11 приведена функциональная схема типичного накопителя. Рассмотрим назначение ее элементов. Ядром схемы управления накопителя является микроконтроллер (ASIC). По сути, он представляет собой специализированный процессор, выполняющий программные инструкции и вырабатывающий специфические управляющие сигналы, не предусмотренные в типовых микропроцессорах. Программа управления этого микроконтроллера хранится в специальном ПЗУ, обычно перезаписываемом, так что ее можно обновлять без замены самого накопителя. Микроконтроллер вырабатывает сигналы, управляющие схемой чтения-записи, приводом магнитных головок и работой шпиндельного двигателя. Кроме этого, микроконтроллер обеспечивает интерфейс с шиной (в данном случае с АТА), которая используется для подключения накопителя к системе.

Основной задачей микроконтроллера накопителя является координация потоков данных, приходящих в накопитель и исходящих из него. Контроллер инициализирует операции чтения и записи, вырабатывает синхронизирующие и тактовые сигналы, формирует потоки данных между собой и схемой чтения/записи, управляет кэш-памятью, расположенной в самом накопителе. Команды, поступающие с системного интерфейса, также обрабатываются контроллером. Еще одним ключевым компонентом на печатной плате накопителя является схема управления чтением/записью, которая обычно реализована в виде отдельной микросхемы. Данные, поступающие в нее с контроллера, преобразуются в последовательные сигналы, которые передаются затем на микросхему предусилителя блока магнитных головок. В режиме чтения в микросхему чтения/записи с предусилителя поступают последовательные сигналы, которые преобразуются в параллельный цифровой код и передаются в контроллер. Аналоговый фильтр, выполненный на дискретных компонентах, формирует необходимую амплитудно-частотную характеристику канала воспроизведения. Головки чтения/записи подключены непосредственно к микросхеме предусилителя, которая представляет собой два разных усилителя (один — для чтения, а второй — для записи), объединенных в одном корпусе.

На схему привода головок поступают как логические сигналы с микроконтроллера, так и управляющие сигналы с контроллера накопителя, пропорциональные отклонению головки от заданного положения. Ее нагрузкой является подвижная катушка привода головок, и она вырабатывает аналоговый токовый сигнал, под воздействием которого головки чтения/записи перемещаются в нужном направлении. Шпиндельный двигатель привода дисков включается и выключается сигналом разрешения, поступающим с контроллера накопителя. В рабочем режиме стабилизация частоты вращения шпиндельного двигателя осуществляется отдельной схемой. Элементы, изображенные в левой части схемы, располагаются в изолированном блоке головок и магнитных дисков, а элементы в правой части схемы — на печатной плате накопителя. Как нетрудно понять, самыми «интеллектуальными» устройствами накопителя являются контроллер и микросхемы управления отдельными компонентами накопителя.

Обсудить статью на форуме


Если прочитаная статья из нашей обширной энциклопедия компьютера - "Устройство накопителей", оказалась полезной или интересной, Вы можете поставить закладку в социальной сети или в своём блоге на данную страницу:

Так же Вы можете задать вопрос по статье через форму обратной связи, в сообщение обязательно указывайте название или ссылку на статью!
   


Copyright © 2008 - 2017 Дискета.info