Главная страницаОбратная связьКарта сайта

Основные компоненты жестких дисков.


Разделы, создаваемые на жестком диске, позволяют ему поддерживать разные файловые системы, каждая из которых располагается в определенном разделе диска.

В каждой файловой системе используется собственный метод распределения занимаемого файлом пространства по логическим элементам, которые называются кластерами или единичными блоками памяти. На жестком диске может быть от одного до четырех разделов, каждый из которых поддерживает файловую систему какого-нибудь типа. В настоящее время PC-совместимые операционные системы используют файловые системы трех типов.

■    FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов). Это стандартная файловая
система, поддерживаемая DOS и Windows 9х/Me. В разделах FAT под управлением
DOS допустимая длина имен файлов — 11 символов (8 символов собственно имени и 3
символа расширения); в Windows версии 9х и выше допустимая длина имен файлов —
255 символов. Стандартная файловая система FAT для идентификации кластеров ис­
пользует 12- и 16-разрядные числа, что определяет максимальный объем тома в 2 Гбайт.

С помощью программы FDISK можно создать только два физических раздела FAT на жестком диске — основной и дополнительный, а в дополнительном разделе можно создать до 25 логических томов. Программа Partition Magic может создавать четыре основных раздела или три основных и один дополнительный.

■    FAT32 (File Allocation Table, 32-bit — 32-разрядная таблица размещения файлов).

Эта файловая система поддерживается Windows 95 OSR2 и более поздними версиями.

В FAT32 для нумерации кластеров используются 32-разрядные числа, что позволяет поддерживать тома объемом до 2 Тбайт (2048 Гбайт).

■    NTFS (Windows NT File System — файловая система Windows NT). Доступна только
в Windows NT/2000/XP/2003/Vista. Длина имен файлов может достигать 256 симво-
лов, а размер раздела (теоретически) — 16 Эбайт (16x10 байт). N TFS предлагает до­
полнительные возможности, не предоставляемые другими файловыми системами, на­
пример средства безопасности.

До появления Windows XP наиболее распространенной была файловая система FAT32. В современных системах более широко используется NTFS, которая является родной” файловой системой Windows XP и Vista, причем в последнем случае загрузочный том должен быть размечен именно в ней. Тем не менее система FAT поддерживается практически любой операционной системой, что делает ее оптимальным вариантом для использования в смешанных операционных средах. FAT32 и NTFS предоставляют дополнительные возможности, но не являются универсально совместимыми с другими ОС.

Разделы на диске создаются с помощью поставляемой с операционной системой программы. Например, программа FDISK, используемая для решения этой задачи, поставляется в комплекте с DOS и Windows 9x/Me, тогда как программа DISKPART и встроенный компонент Управление дисками оснастки Управление компьютером входят в поставку Windows XP. Программы FDISK и DISKPART, а также различные средства, используемые для создания разделов, позволяют определить объем создаваемого раздела, начиная с одного мегабайта (или 1% пространства диска) и заканчивая полной емкостью жесткого диска; кроме того, они позволяют указать размеры раздела в соответствии с требованиями той или иной файловой системы. Можно создать столько разделов, сколько потребуется, однако многие пользователи предпочитают остановиться на одном-двух разделах. До появления FAT32 сделать это было значительно труднее, поскольку максимальный размер разделов в файловой системе FAT16 составлял всего 2 Гбайт. В FAT32 максимальный размер раздела может достигать 2048 Гбайт.

Внимание

Программы fdisk и diskpart, а также различные инструменты для создания разделов, встроенные в операционные системы, не позволяют изменять размер уже существующих разделов (можно только создавать или удалять). При удалении раздела находящиеся в нем данные уничтожаются. Создание раздела приводит к потере доступа к данным, хранившимся в той части диска, которая использовалась для создания нового раздела. Для управления разделами без разрушения данных воспользуйтесь программами сторонних разработчиков, к числу которых относятся Partition Magic от PowerQuest и Partition Commander компании V-Communications.

После создания разделов необходимо выполнить форматирование высокого уровня с помощью средств операционной системы.

Форматирование высокого уровня

При форматировании высокого уровня операционная система создает структуры для работы с файлами и данными. В каждый раздел (логический диск) заносятся загрузочный сектор тома (VBS), две копии таблицы размещения файлов (FAT) и корневой каталог (Root Directory). С помощью этих структур данных операционная система распределяет дисковое пространство, отслеживает расположение файлов и даже во избежание проблем обходит” дефектные участки на диске.

В сущности, форматирование высокого уровня — это не столько форматирование, сколько создание оглавления диска и таблицы размещения файлов. Настоящее” форматирование — это форматирование низкого уровня, при котором диск разбивается на дорожки и секторы. С помощью команды FORMAT на гибком диске выполняются сразу оба типа форматирования, а для жесткого — только форматирование высокого уровня. Форматирование низкого уровня на жестком диске выполняет его изготовитель; оно чисто технически не может быть осуществлено конечным пользователем. Правда, некоторые из производителей выпускают свои программы инициализации, которые являются своеобразной заменой низкоуровневого форматирования. Программы инициализации не создают заголовки секторов, однако они перезаписывают все области данных и помечают сбойные секторы (по возможности замещая их запасными, хорошими). Обычно программы инициализации используются, когда необходимо восстановить поврежденное форматирование или уничтожить все данные на диске.

Основные компоненты жестких дисков

Существует множество типов накопителей на жестких дисках, но практически все они состоят из одних и тех же основных узлов. Конструкции этих узлов, а также качество используемых материалов могут различаться, но их основные рабочие характеристики и принципы функционирования одинаковы. Основные элементы конструкции типичного накопителя на жестком диске (рис. 9.6) перечислены ниже:

■     диски;

■     головки чтения/записи;

■     механизм привода головок;

■     двигатель привода дисков;

■     печатная плата со схемами управления;

■     кабели и разъемы;

■     элементы конфигурации (перемычки и переключатели).

Диски, двигатель привода дисков, головки и механизм привода головок обычно размещаются в герметичном корпусе, который называется HDA (Head Disk Assembly — блок головок и дисков). Обычно этот блок рассматривается как единый узел; его почти никогда не вскрывают. Прочие узлы, не входящие в блок HDA (печатная плата, лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали), являются съемными.

Диски

Накопитель на жестких магнитных дисках содержит несколько дисков (пластин). На протяжении многих лет жесткие диски для ПК выпускались в нескольких формфакторах. Как правило, физические размеры жестких дисков выражаются в размере используемых пластин. Основные размеры пластин, используемых в жестких дисках ПК, приведены в табл. 9.4.




Существуют также накопители с дисками больших размеров, например 8 дюймов, 14 дюймов и даже больше, но, как правило, эти устройства в ПК не используются. Сейчас в настольных и некоторых портативных моделях чаще всего устанавливаются накопители формата 3,5 дюйма, а малогабаритные устройства (формата 2,5 дюйма и меньше) — в портативных системах.

В большинстве накопителей устанавливается минимум два диска, хотя в некоторых малых моделях бывает и по одному. Количество дисков ограничивается физическими размерами накопителя, а именно — высотой его корпуса. Самое большое количество дисков в накопителях формата 3,5 дюйма, с которым мне приходилось встречаться, — 12.

Раньше почти все диски производились из алюминиево-магниевого сплава, довольно прочного и легкого. Но со временем возникла потребность в накопителях, сочетающих малые размеры и большую емкость. Поэтому в качестве основного материала для дисков стало использоваться стекло, а точнее — композитный материал на основе стекла и керамики. Один из таких материалов называется MemCor и производится компанией Dow Corning. Он значительно прочнее, чем каждый из его компонентов в отдельности. Стеклянные диски отличаются большей прочностью и жесткостью, поэтому их можно сделать в два и более раз тоньше алюминиевых. Кроме того, они менее восприимчивы к перепадам температур, т.е. их размеры при нагреве и охлаждении изменяются весьма незначительно. Сегодня практически все жесткие диски выпускаются со стеклянными или стеклокерамическими пластинами.


Рабочий слой диска

Независимо от того, какой материал используется в качестве основы диска, он покрывается тонким слоем вещества, способного сохранять остаточную намагниченность после воздействия внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным, и именно в нем сохраняется записанная информация. Самыми распространенными являются следующие типы рабочего слоя:

■     оксидный;

■     тонкопленочный;

■     двойной антиферромагнитный (AFC).

Оксидный слой

Оксидный слой представляет собой полимерное покрытие с наполнителем из окиси железа. Он наносится следующим образом. Сначала на поверхность быстро вращающегося алюминиевого диска разбрызгивается суспензия порошка оксида железа в растворе полимера. За счет действия центробежных сил она равномерно растекается по поверхности диска от его центра к внешнему краю. После полимеризации раствора поверхность шлифуется. Затем на нее наносится еще один слой чистого полимера, обладающего достаточной прочностью и низким коэффициентом трения, и диск окончательно полируется. Обычно толщина оксидного слоя — чуть больше 0,1 микрона. Если вам удастся заглянуть внутрь накопителя с такими дисками, то вы увидите, что они коричневого или желтого цвета.

Чем выше емкость накопителя, тем более тонким и гладким должен быть рабочий слой дисков. Но добиться качества покрытия, необходимого для накопителей большой емкости, в рамках традиционной технологии оказалось невозможным. Поскольку оксидный слой довольно мягкий, он крошится при столкновениях” с головками (например, при случайных со­трясениях накопителя). Диски с таким рабочим слоем использовались с 1955 года; они так долго продержались благодаря простоте технологии и низкой стоимости. Однако в современных моделях накопителей они полностью уступили место тонкопленочным дискам.

Тонкопленочный слой

Тонкопленочный рабочий слой имеет меньшую толщину, он прочнее, и качество его покрытия гораздо выше, чем у оксидного. Эта технология легла в основу производства накопителей нового поколения, в которых удалось существенно уменьшить величину зазора между головками и поверхностями дисков, что позволило повысить плотность записи.

Термин тонкопленочный рабочий слой очень удачен, так как это покрытие гораздо тоньше, чем оксидное. Этот слой называют также гальванизированным или напыленным, поскольку наносить тонкую пленку на поверхность дисков можно по-разному.

Тонкопленочный гальванизированный рабочий слой получают путем электролиза. Это происходит почти так же, как при хромировании бампера автомобиля. Алюминиевую или стеклянную подложку диска последовательно погружают в ванны с различными растворами, в результате чего она покрывается несколькими слоями металлической пленки. Рабочим слоем служит слой из сплава кобальта толщиной всего около 1 микродюйма (около 0,025 мкм).

Метод напыления рабочего слоя заимствован из полупроводниковой технологии. Суть его сводится к тому, что в специальных вакуумных камерах вещества и сплавы вначале переводятся в газообразное состояние, а затем осаждаются на подложку. На алюминиевый диск сначала наносится слой фосфорита никеля, а затем магнитный кобальтовый сплав. Его толщина при этом — всего 1-2 микродюйма (0,025-0,05 мкм). Аналогично поверх магнитного слоя на диск наносится очень тонкое (порядка 0,025 мкм) углеродное защитное покрытие, обладающее исключительной прочностью. Это самый дорогостоящий процесс из всех описанных выше, так как для его проведения необходимы условия, приближенные к полному вакууму.

Как уже отмечалось, толщина магнитного слоя, полученного методом напыления, составляет около 0,025 мкм. Его исключительно гладкая поверхность позволяет сделать зазор между головками и поверхностями дисков гораздо меньшим, чем это было возможно раньше (0,076 мкм). Чем ближе к поверхности рабочего слоя располагается головка, тем выше плотность расположения зон смены знака на дорожке записи и, следовательно, плотность диска. Кроме того, при увеличении напряженности магнитного поля по мере приближения головки к магнитному слою увеличивается амплитуда сигнала; в результате соотношение сигнал– шум” становится более благоприятным.

И при гальваническом осаждении, и при напылении рабочий слой получается очень тонким и прочным. Поэтому вероятность выживания” головок и дисков в случае их контакта друг с другом на большой скорости существенно повышается. И действительно, современные накопители с дисками, имеющими тонкопленочные рабочие слои, практически не выходят из строя при вибрациях и сотрясениях. Оксидные покрытия в этом отношении гораздо менее надежны. Если бы вы смогли заглянуть внутрь корпуса накопителя, то увидели бы, что тонкопленочные покрытия дисков напоминают серебристую поверхность зеркал.

Двойной антиферромагнитный слой

Последним достижением в технологии изготовления носителей жестких дисков является использование двойных антиферромагнитных слоев (AFC), позволяющих существенно увеличить плотность рабочего слоя, превысив наложенные ранее ограничения. Увеличение плотности материала дает возможность уменьшить толщину магнитного слоя диска. Плотность записи жестких дисков (которая выражается в количестве дорожек на дюйм или в числе битов на дюйм) достигла той точки, в которой кристаллы магнитного слоя, используемые для хранения данных, становятся настолько малы, что это приводит к их нестабильности и как следствие — к низкой надежности запоминающего устройства. Границы плотности, получившие название суперпарамагнитного ограничения, должны находиться в пределах 30– 50 Гбит/дюйм2. С развитием технологии этот предел был преодолен и достиг 100 Гбит/дюйм2. Предполагается, что в будущем удастся достигнуть и поверхностной плотности записи в 200 Гбит/дюйм2, правда, при этом будут задействованы некоторые новые технологии.

Носители AFC состоят из двух магнитных слоев, разделенных исключительно тонкой пленкой металлического рутения, толщина которой — всего 3 атома (6 ангстрем). Подобная многослойная конструкция образует антиферромагнитное соединение, состоящее из верхнего и нижнего магнитных слоев, что позволяет различать эти слои по всей видимой высоте жесткого диска. Такая конструкция дает возможность использовать физически более толстые магнитные слои, имеющие более устойчивые кристаллы большого размера, благодаря чему носители могут функционировать как одинарный слой, отличающийся гораздо меньшей общей толщиной.

В 2001 году IBM использовала технологию AFC при создании целой серии 2,5-дюймовых накопителей Travelstar 30GN для портативных компьютеров; жесткие диски этого типа стали первыми накопителями с рабочим слоем AFC, появившимися на рынке. Кроме того, IBM начала создавать 3,5-дюймовые накопители с рабочим слоем AFC, используемые в настольных компьютерах. Первым накопителем этого типа стал Deskstar 120 GXP. Сегодня носители AFC выпускаются компанией Hitachi Global Storage Technologies, которая поглотила подразделение жестких дисков компании IBM, а также ряд других крупных производителей этого типа носителей. Технология AFC позволяет преодолеть рубеж плотности в 100 Гбит/дюйм2, а в сочетании с перпендикулярной магнитной записью (PMR) отодвинуть его до 200 Гбит/дюйм2. Внешне носитель с покрытием AFC выглядит, как зеркало.

Головки чтения/записи

В накопителях на жестких дисках для каждой из сторон каждого диска предусмотрена собственная головка чтения/записи. Все головки смонтированы на общем подвижном каркасе и перемещаются одновременно.

Конструкция каркаса с головками довольно проста. Каждая головка установлена на конце рычага, закрепленного на пружине и слегка прижимающего ее к диску. Мало кто знает о том,что диск как бы зажат между парой головок (сверху и снизу). И если бы это не повлекло за собой никаких последствий, можно было бы провести небольшой эксперимент: открыть накопитель и приподнять пальцем верхнюю головку. Как только бы вы ее отпустили, она вернулась бы в первоначальное положение (то же самое произошло бы и с нижней головкой).

На рис. 9.7 показана стандартная конструкция механизма привода головок с подвижной катушкой.




Рис. 9.7. Головки чтения/записи и поворотный привод с подвижной катушкой
Когда накопитель выключен, головки касаются дисков под действием пружин. При раскручивании дисков аэродинамическое давление под головками повышается, и они отрываются от рабочих поверхностей (взлетают”). Когда диск вращается на полной скорости, зазор между ним и головками может составлять 0,5–5 микродюймов и даже больше.

В начале 1960-х годов величина зазора между диском и головками составляла 200–300 микродюймов; в современных накопителях она достигает 10 нм, или 0,4 микродюйма. Для обеспечения повышенной плотности записи в будущем физическое расстояние между головкой и дисковой пластиной будет продолжать уменьшаться; возможно, такие головки даже будут входить в прямой контакт с поверхностью диска. Естественно, для этого потребуются новые конструкции носителей и головок.

Внимание

Общая тенденция такова: чем раньше был выпущен накопитель и чем меньше его емкость, тем больше зазор между головками и поверхностями дисков. Именно из-за малого размера этого зазора блок HDA можно вскрывать только в абсолютно чистых помещениях: любая пылинка, попавшая в зазор, может привести к ошибкам при считывании данных и даже к столкновению головок с дисками на полном ходу. В последнем случае может быть повреждена или головка, или диск, что одинаково неприятно.

Именно поэтому сборка блоков HDA выполняется только в чистых помещениях, соответствующих требованиям класса 100 (или даже более высоким). Это означает, что в одном кубическом футе воздуха может присутствовать не более 100 пылинок размером до 0,5 мкм. Для сравнения: стоящий неподвижно человек каждую минуту выдыхает порядка 500 таких час­тиц! Поэтому помещения оснащаются специальными системами фильтрации и очистки воздуха. Блоки HDA можно вскрывать только в таких условиях.

Поддержка столь стерильных условий стоит немалых денег. Некоторые фирмы выпускают чистые цеха” в настольном исполнении. Стоят они всего несколько тысяч долларов и выглядят, как большие ящики с прозрачными стенками, в которые вмонтированы перчатки для оператора. Прежде чем приступить к работе, оператор должен вставить в ящик устройство и все необходимые инструменты, затем закрыть ящик и включить систему фильтрации. Через некоторое время можно будет начинать разборку и прочие операции с накопителем.

Существуют и другие способы создания стерильных условий. Представьте себе, например, монтажный стол, отгороженный от окружающего пространства воздушной завесой, причем непосредственно на рабочее место под давлением постоянно подается очищенный воздух. Это напоминает устанавливаемые на зиму в дверях магазинов занавески” из горячего воздуха, которые не мешают покупателям, но и не позволяют теплу из помещения выйти наружу.

Поскольку подобное оборудование стоит довольно дорого, за ремонт накопителей на жестких дисках обычно берутся только их производители.
Конструкции головок чтения/записи

По мере развития технологии производства дисковых накопителей совершенствовались и конструкции головок чтения/записи. Первые головки представляли собой сердечники с обмоткой (электромагниты). По современным меркам их размеры были огромными, а плотность записи чрезвычайно низкой. За прошедшие годы конструкции головок прошли долгий путь развития от первых головок с ферритовыми сердечниками до современных гигантских магниторезистивных моделей.

Обсудить статью на форуме


Если прочитаная статья из нашей обширной энциклопедия компьютера - "Основные компоненты жестких дисков.", 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