Принцип действия и устройство жесткого диска

 
 
 
 

Принцип действия и устройство  
жесткого диска 

 Выполнила студентка 3-го курса

                       Группы 19.301.10

                             Цыбизова Е.И.

 
 
 
 

Немного истории 

             Создание IBM RAMAC (1956г.), первой коммерческой системы с произвольным доступом к данным, считается официальным рождением жесткого диска. Эта система IBM RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control)напоминала два больших холодильника. Она состояла из 50-ти покрытых оксидом железа 24-дюймовых пластин, способных хранить 5 Мбайт                                                         информации.                                                                       Далее индустрия жестких                                                         дисков развивалась по                                                                 экстенсивному                                                                 пути: производители                                                                  просто уменьшали размер                                                                 битовых ячеек.

     Совершенствовались                                         остальные компоненты                                                                  накопителей      и электроника, однако сама технология записи принципиально не менялась. Такая ситуация не могла продолжаться вечно, поскольку при очень маленьких размерах ячеек вступали в силу квантовые эффекты, нехарактерные для классической физики. Понимание того, что для дальнейшего увеличения плотности необходимы новые технологии, пришло к разработчикам в XXI[1] .

 
 
 
 

Назначение и основные характеристики жесткого диска 

Жёсткий диск (англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD) — энергонезависимое перезаписываемое компьютерное     запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех компьютерах.

Основные характеристики:

• Интерфейс (интерфейс – тип подключения жёсткого диска к системе);
• Объем (объем показывает, какое количество информации способен вместить                                                                            жесткий диск);
• Объем буфера (буфер служит для предварительного размещения считываемых или записываемых данных, нормальным объемом буфера в настоящее время считается 8 или 64 Мбайт);
• Скорость вращения (скорость вращения шпинделя жесткого диска напрямую влияет на производительность, цену и энергопотребление; в настоящее время часто используются диски на 7500 и 10 000 оборотов в минуту);
• Время произвольного доступа (время, за которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска; диапазон этого параметра невелик — от 2,5 до 16 мс)[2]

 
 
 
 

Типы жестких дисков 

Условно все жесткие диски можно разделить на четыре типа:

• Внешние;
• Для настольных компьютеров;
• Для ноутбуков;
• Для серверов;

 
 
 
 

Устройство винчестера 

         

Жесткий диск 

Блок электроники 

Гермозона 

Управляющий блок 

ПЗУ 

Буферная память 

Корпус из прочного

сплава 

Диски с магнитным

 покрытием 

Блок головок с

 устройством

 позиционирования 

Электропривод шпинделя 

Интерфейсный блок 

Блок цифровой обработки

сигнала

 
 
 
 

Блок электроники 

     Блок электроники по своей сути это контроллер выполняющий функции микрокомпьютера. На плате у современных винчестеров можно найти процессор, память (ОЗУ), ПЗУ. Процессор занимается обработкой полученных с головок данных и преобразованием их в понятный компьютеру «язык» - ATA стандарт[3]. Делает он это, как и компьютер в оперативной памяти ОЗУ (обычно используется и в качестве дискового буфера). Таким образом с увеличением памяти ОЗУ в некоторых случаях можно увеличить скорость работы накопителя. ПЗУ, которое хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой                       обработки сигнала, а также служебную информацию                                винчестера, нужно для старта.                                                                                                              При включении плата                                                         контроллера считывает служебную                                        информацию и если она корректна,                                               то жесткий диск начинает  работу.

 
 
 
 

Гермозона 

     Гермозона это полость жесткого диска, ограниченная крышкой, внутри которой находиться очищенный от частиц пыли воздух. Чаще всего в конструкции жестких дисков присутствует специальное технологическое отверстие с очищающим фильтром для доступа воздуха и выравнивания давления.

•   Одним из элементов гермозоны является блок магнитных (БМГ). Конструктивно, кроме самих головок чтения-записи на нем расположена микросхема, усиливающая сигнал, получаемый при чтении информации с магнитного диска.
•     Еще одно простое устройство содержащееся                                                     в гермозоне это шпиндельный двигатель.                                                                          На нем находится пакет магнитных дисков.                                                                Двигатель раскручивает пакет дисков до                                                                    нужных оборотов при исправных                                                                                    остальных элементах жесткого диска.

 
 
 

•    И наконец самая неустойчивая к повреждениям часть винчестера это система дисков

 
 
 
 

Магнитный диск 

     Представляет собой алюминиевую пластину (иногда стеклянную, как у винчестеров фирмы IBM) круглой формы размером примерно как компакт-диск.

     На поверхности диска находиться                                              магнитный слой, который и служит                                                  основой для записи информации.                                                Изначально магнитные домены на поверхности диска ни как не  ориентированы. Для ориентирования блока магнитных головок на магнитный диск наносятся специальные метки - серво-метки. Это 

                                                  осуществляется «родным» блоком                                                                                  магнитных головок,  который  управляется  

                                            в свою очередь внешним устройством,                                              называемым серво-врайтером.

                                                После того как поверхность размечена,                                винчестер уже может сам писать

и читать поверхность.

       Поверхность чистого магнитного диска

 
 
 
 

Логическая структура винчестера 

      
 
 
 
 
 

    Каждая поверхность диска делится на дорожки, представляющие собой концентрические окружности, вдоль которых размещается информация, дорожки делятся на секторы (их емкость обычно 512 байт).[4] Несколько физических дорожек с одинаковым номером, но расположенные на разных дисковых поверхностях (друг над другом) называются цилиндром.

     Существует также понятие «кластер" - это несколько секторов, рассматриваемых операционной системой как одно целое[5].

 
 
 
 

Способы адресации секторов на диске 

• цилиндр-головка-сектор (cylinder-head-sector, CHS). При этом способе сектор адресуется по его физическому положению на диске 3 координатами — номером цилиндра, номером головки и номером сектора. В современных дисках со встроенными контроллерами эти координаты уже не соответствуют физическому положению сектора на диске и являются «логическими координатами»;
• линейная адресация блоков (linear block addressing, LBA). При этом способе сектор задается единственным числом — своим абсолютным номером на диске. Стандарты ATA-1 требуют однозначного соответствия между режимами CHS и LBA:

LBA = [ (Cylinder * no of heads + heads) * sectors/track ] + (Sector-1)

 
 
 
 

Принцип работы жесткого диска 

      основан на том, что магнитное поле, возбуждаемое записывающей головкой, по-разному намагничивает различные участки ферромагнитного слоя, нанесенного на диск. С точки зрения магнетизма все ферромагнетики состоят из мельчайших частиц — доменов, в каждом из которых магнитное поле направлено одинаково. Однако в ненамагниченном состоянии магнитные поля всех доменов ориентированы хаотически, в результате чего общая намагниченность отсутствует. Намагничивание внешним полем происходит в два этапа. Вначале те домены, ориентация которых наиболее близка к направлению внешнего поля, поглощают соседние (происходит рост доменов). На втором этапе, при увеличении напряженности внешнего поля, все домены разворачиваются в его направлении. Таким образом, плотность магнитной записи ограничивается размером элементарных магнитиков-доменов, которые еще и растут (до определенного предела) при перемагничивании[6].

           Итак, все данные, будучи преобразованными головкой чтения/записи из двоичного вида в магнитный "эквивалент", записываются на поверхность магнитного же диска по описанной выше схеме. Чтение информации осуществляется по обратной схеме: головка отслеживает, какие участки дорожки намагничены, а у каких, напротив, намагниченность сведена к минимуму. После этого считанная последовательность намагниченных и размагниченных участков преобразовывается из магнитного "формата" в электронный и передается по проводам дальше по плану.  
 

 
 
 
 

   

    В общем случае намагничивание ферромагнетика происходит как посредством вращения магнитных доменов, так и за счёт движения доменных стенок 
 
 
 
 
 
 
 

Где H вектор внешнего магнитного поля, а В вектор легкой намагниченности ферромагнетика

 

 
 
 
 

Методы записи на жесткий диск 

Параллельная и перпендикулярная запись

    Главное отличие между данными технологиями заключается в направлении намагниченности доменов — в случае параллельной записи оно параллельно плоскости диска, а в случае перпендикулярной, соответственно, перпендикулярно (см. схему). Однако если мы посмотрим на конкретный домен в отдельности, то никакой разницы не увидим.[7]

 
 
 
 

Термоассистируемая магнитная запись (Heat-Assisted Magnetic Recording, HAMR) 
 

    При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». Планируется, что нагрев малой части носителя будет происходить с помощью теплового лазера, интегрированного в записывающую головку. [8]

 
 
 
 

Охлаждение жесткого диска 

     С появлением жестких дисков со скоростями вращения магнитных дисков 7200 оборотов в минуту пользователи на практике смогли ощутить сильное тепловыделение во время их работы. В основном, источником нагрева служат не микросхемы на плате контроллера, а система позиционирования магнитных головок и шпиндельный двигатель, находящиеся в герметичном блоке. К повышенной температуре наиболее чувствительны магнитные диски, т.к. размагничивание и, следовательно, потеря информации при нагревании происходит быстрее. Выражается это в прямой зависимости количества часов наработки на отказ.