Немного истории.

В 1973 году фирмой IBM по новой технологии был разработан жесткий диск, который мог хранить до 16 Кбайт информации. Поскольку этот диск имел 30 цилиндров (дорожек), каждая из которых была разбита на 30 секторов, то ему присвоили название — 30/30. По аналогии с автоматическими винтовками, имеющими калибр 30/30, такие жесткие диски стали называться «винчестерами». Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками первоначально были заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке этого модуля на сам дисковод он автоматически соединялся с системой, подающей очищенный воздух.

Упрощенно, жесткий диск, представляет собой проигрыватель музыкальных дисков. Только в качестве грампластинок - используются магнитные диски, а вместо иголки - магнитные головки. Применение в качестве носителя данных диска обеспечивает несоизмеримо большую плотность записи, чем на магнитную ленту, благодаря прочности поверхности. Для поиска информации достаточно переместить головку на нужную дорожку, тогда как на ленте необходимо ее всю перемотать. Надежность хранения данных - тоже немаловажный параметр: жесткий диск легче защитить от повреждений, нежели ленту. Наконец, скорость чтения/записи данных легко увеличить за счет увеличения скорости вращения двигателя и плотности записи.
Типовой винчестер состоит из геpмоблока и платы электроники. В геpмоблоке размещены все механические части: шпиндель с одним или несколькими дисками; двигатель; блок магнитных головок (БМГ) с коммутатором и позиционером; предусилитель сигнала, от которого к позиционеру идет ленточный кабель или набор обычных одножильных проводов (которые бывает рвутся). На плате - вся управляющая электроника.
Геpмоблок заполнен обычным обеспыленным воздухом под атмосферным давлением. В крышках геpмоблоков некоторых винчестеров специально делаются небольшие окна, заклеенные тонкой пленкой, которые служат для выравнивания давления внутри и снаружи. В ряде моделей окно закрывается воздухопроницаемым фильтром. Фильтры, также ставят внутрь гермоблока, для очистки потока воздуха.

Магнитные диски.

Информация на винчестере, хранится на магнитных дисках (пластинах). Диск - представляет собой пластину с напылением высококачественного ферромагнетика. В качестве материала для самой пластины применяют алюминий, керамику или стекло, а в качестве магнитного слоя наносят окись хрома или тонкопленочное металлическое покрытие. Внутри жесткого диска может быть установлено несколько пластин, посаженных на вал шпиндельного двигателя.

Шпиндельный двигатель.

Шпиндельный двигатель НЖМД как правило трехфазный, это обеспечивает более стабильную скорость вращения, что особенно важно при большой плотности записи. Запуск двигателя производиться после инициализации HDD и иногда после полной внутренней диагностики накопителя. После запуска, для обеспечения стабильной скорости вращения, применяют обратную связь между схемой управления двигателем и самим шпиндельным двигателем. Для этого на каждую дорожку, при изготовлении накопителя, записывается определенное количество сервометок. При работе НЖМД, специальная схема, выделяет импульсы-сервометки из общего потока данных, которые подаются на микросхему управления шпиндельным двигателем, по этим импульсам и происходит дальнейшая стабилизация скорости вращения.
Обычно современные жесткие диски имеют скорость вращения от 4200 об./м.(в "ноутбучных" винчестерах) и 5400 (в дешевых решениях) до 7200, 10000 и даже 15000 об/м в дорогих серверных системах хранения данных. Чем выше скорость вращения, тем выше скорость обмена данными, но при этом увеличивается тепловыделение. Диски со скоростью 7200 об/мин и выше требуют либо применения корпуса с продуманной для целей отвода тепла конструкцией, либо дополнительного охлаждения внешним вентилятором.

Особые требования предъявляются к механической части двигателя. В 1997 году компания Seagate выпустила новые жесткие диски семейства Medalist Pro, ориентированные на использование в настольных высокопроизводительных персональных компьютерах и мультимедийных системах. Это первые, на тот момент, диски с интерфейсом АТА, в которых скорость вращения пластин была повышена до 7,200 оборотов в минуту. До этого такая скорость была прерогативой дорогих SCSI-накопителей для рабочих станций и серверов. Не последнюю роль тут сыграли новые жидкостные приводы шпинделя, обеспечившие высокую надежность, устойчивость к ударным нагрузкам и вибрации, снизившие шум и трение. В настоящее время уже большинство фирм производителей HDD применяют в своих изделиях жидкостные подшипники.

Что же представляет из себя жидкостный подшипник?

В жидкостных подшипниках, предназначенных для моторов привода пластин винчестера, используется вязкое масло или просто воздух, а не металлические шарики. Благодаря этому такие приводы значительно превосходят по ряду характеристик традиционные шарикоподшипниковые. Число шариков в обычных подшипниках шпиндельного двигателя обычно составляет от 8 до 12. Любые малейшие неточности их формы или формы направляющей канавки, по которой они катятся, при вращении мотора могут послужить причиной неповторяющихся вибраций. Это накладывает некоторые ограничения на допустимую удельную плотность записи треков на дюйм рабочей поверхности пластины, заметно снижая, таким образом, общую емкость винчестера. К тому же подшипники качения отличаются от подшипников скольжения тем, что при больших частотах вращения у них снижается долговечность и весьма ограничена способность воспринимать ударные нагрузки.
В жидкостных динамических подшипниках вращающиеся части мотора отделены друг от друга пленкой масла, которая действует как поглотитель ударных нагрузок и предупреждает повреждение рабочих поверхностей подшипника. Если обычные шарикоподшипниковые приводы винчестеров способны выдержать ударные нагрузки до 150g (в нерабочем состоянии, разумеется), то жидкостные гидравлические подшипники спокойно переносят таковые до 1,200g, что подтвердили проведенные Seagate испытания. Динамический жидкостный подшипник способен быстро гасить любые вибрации как внутреннего, так и внешнего происхождения. Эта способность также чрезвычайно важна для обеспечения правильной записи и чтения данных с дисковых пластин при высокой их удельной плотности.
Отсутствие контакта обеспечивает и теоретически бесконечный срок службы приводов с жидкостными подшипниками. Ресурс обычных приводов рассчитывается в часах работы мотора, по истечении которых в металле накопляются усталостные напряжения от постоянного качения шариков по направляющим канавкам подшипника. После этого резко возрастает вероятность заклинивания привода. Естественно, срок службы сокращается и за счет физического износа поверхностей шариков и канавок, что приводит к нарушению их формы, снижению точностных характеристик привода и учащающимся ошибкам при чтении/записи данных с заданной плотностью треков.

Магнитные головки.

Для записи/считывания информации с поверхности диска используются магнитные головки. При записи головка создает магнитное поле, намагничивая тем самым участок диска - при считывании намагниченный участок диска возбуждает сигнал в головке. Первоначально использовались индуктивные головки. Основной недостаток которых был в сильной зависимости амплитуды сигнала от скорости перемещения магнитного покрытия и высокого уpовеня шумов. MRH (Magneto-Resistive Heads) и GMR (Giant Magneto-Resistive) - магниторезистивная головка считывания представляет собой pезистоp, сопротивление которого изменяется в зависимости от напряженности магнитного поля, пpичем амплитуда уже практически не зависит от скоpости изменения поля. Это позволяет намного более надежно считывать информацию и диска и, как следствие, значительно повысить предельную плотность записи. MR-головки используются только для считывания; запись по прежнему выполняется индуктивными головками. Чем ближе головки к поверхности диска, тем выше плотность записи.
Для того, чтобы головки не "упала" на поверхность диска им придают специальную аэродинамическую форму, наподобие крыла самолета. При вращении дисков внутри корпуса возникает воздушный поток, который собственно, и приподнимает головки над поверхность. При остановке двигателя, исчезает воздушный поток и головки "падают" на поверхность. Чтобы это предотвратить головки паркуют за пределы рабочей области диска (landing zone).

Позиционирование.

Головки крепятся к поворотному позиционеру, напоминающего по виду башенный кран. В непосредственной близости к головкам, в гермоблоке, находиться микросхема коммутатора и предусилитель сигнала. Позиционер посажен на ось, с одной столоны которой, находятся обращенные к дискам тонкие, длинные и легкие несущие магнитных головок, а с другой - короткий и более массивный хвостовик с обмоткой электромагнитного привода. При поворотах коромысла позиционеpа головки совеpшают движение по дуге между центром и периферией дисков. Обмотку позиционеpа окружает статор, представляющий собой постоянный магнит. При подаче в обмотку тока определенной величины и полярности коромысло начинает поворачиваться в соответствующую сторону с соответствующим ускорением, изменяя ток в обмотке, можно устанавливать позиционер в любое положение. Такая система привода получила название Voice Coil (звуковая катушка) - по аналогии с диффузором громкоговорителя.

В накопителях с соленоидным двигателем (звуковой катушкой) , для размещения сервисной информации, необходимой для позиционирования магнитных головок, используется служебная информация (СИ) встроенная в формат (embedded).
При этом количество сервометок на всех дорожках одинаково и отличается от модели к модели. В таких накопителях формат не привязан к сервометкам и дорожку можно отформатировать на различное количество секторов. Причем когда встречается сервометка, физический формат прерывается (даже если встречается поле данных) и продолжается только после ее идентификации.

Магнитные головки, постоянно считывает сервисную информацию. СИ усиленная и отфильтрованная поступает в серводемодулятор, где расшифровывается и затем определяется действительное положение блока магнитных головок. На основании полученной информации подается воздействие на устройство управления соленоидным двигателем. Таким образом осуществляется слежение с помощью устройства тонкой регулировки.
Для перехода на другую дорожку, управляющий микропроцессор подает команду сервоконтроллеру, в которой указывается номер необходимой дорожки. На основании этого сервоконтроллер передает код необходимого токового импульса в схему управления позиционированием. После перемещения включается система тонкого регулирования, для точной подстройки на дорожку. При выполнении операций записи/чтения, для того чтобы не была затерта сервометка, сигнал записи в канал поступает от сервоконтроллера только после того, как полностью считана и идентифицирована сервометка.

Канал считывания/записи.

Вся поверхность на дисках разделена на дорожки, те в свою очередь, на сектора. Запись и чтение осуществляется посекторно. На емкость диска оказывает влияние применяемый способ записи. В старых дисках применяется метод модифицированной частотной модуляции MFM (Modified Frequency Modulation), в более новых моделях — метод RLL (Run Length Limited) и ARLL (Advanced RLL - улучшенный RLL) .

Метод MFM (Modified Frequency Modulation - модифицированная частотная модуляция) используется для записи на гибкие диски, а также - в ранних винчестерах для PC XT. При использовании этого метода на одну дорожку винчестера записывается 17 секторов по 512 байт каждый.

Метод RLL (Run Length Limited - ограниченная длина серии) использует более плотную упаковку данных при записи, повышая объем информации на дорожке примерно на 50%. Кодирование производится таким образом, чтобы длина серии нулей не выходила за пределы заданных параметров; обычно минимум равен двум, а максимум - семи. Соответственно, метод часто обозначается как RLL (2,7). На дорожку записывается до 27 секторов.
Суть RLL состоит в следующем: каждый входящий байт, состоящий из 8 бит, разделяется на две 4-х битные части, затем каждая из частей преобразуется в специальный 5-битный код. Особенность этого кода в том, что каждое число в нем содержит минимум одно изменение направления потока. Использование такого метода дает возможность отказаться от синхроимпульсов и тем самым повысить плотность записи и скорость считывания.

Метод ARLL (Advanced RLL - улучшенный RLL) - дальнейшее развитие RLL в сторону повышения плотности упаковки. Обычно применяется с параметрами (1,7) и (3,9). На дорожку записывается 34 и более сектора.

Также, в современных винчестерах, применяется эффективный, хотя и сложный в реализации метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood), что можно перевести как метод максимального правдоподобия при частично перекрывающемся отклике от соседних дорожек. Дорожки расположены так близко, что головка считывает сигналы от нескольких соседних дорожек сразу, а затем на основе методов теории вероятностей выделяется сигнал от нужной дорожки по критерию максимума функции правдоподобия, которая на лету вычисляется специализированным процессором цифровой обработки сигналов, установленным на плате управления диском. При этом плотность записи повышается еще на 40-50%.

Важной особенностью современных HDD является применение зонно-секционной записи (ZBR), при которой все дисковое пространство разбивается на зоны и в каждой зоне записывается определенное количество секторов на дорожку. Количество зон может достигать 20, а количество секторов в зонах, в зависимости от емкости, колеблется от 90 - 140 в самой первой зоне и плавно уменьшается до последней, где может достигать 40 - 70. Такой метод еще называют методом с постоянной плотностью записи. Естественно, что канал считывания/записи такого накопителя должен работать на различных частотах, при этом первая зона работает на самой высокой частоте и обеспечивает наибольшую скорость считывания данных.

Электронные компоненты винчестера.

Плата электроники, подключается к геpмоблоку через один или два разъема. На плате расположены основной процессор винчестера, ПЗУ с программой, рабочее ОЗУ, которое обычно используется и в качестве дискового буфера, цифровой сигнальный процессор (DSP) для подготовки записываемых и обработки считанных сигналов, и интерфейсная логика. Программа процессора состоит из модулей и может полностью быть записана в отдельную микросхему ПЗУ или в масочное ПЗУ процессора. Определенная часть кода может быть записана в служебной области диска. Параметры накопителя (модель, серийный номер, адаптивы, таблица сбойных секторов и т.п.) хранятся также в виде модулей на дисках, в служебной области или в электрически репрограммируемом ПЗУ (EEPROM).
Многие винчестеры имеют на плате электроники специальный технологический интерфейс с разъемом, через который при помощи стендового оборудования можно выполнять различные сервисные операции с накопителем - тестирование, форматирование, переназначение дефектных участков и т.п.

...продолжение следует....