Компоненты накопителей на магнитных дисках

Носителями информации для рассматриваемых накопителей служат поверхности, называемые пластинами. Пластины (Platter) дисков могут быть гибкими или жесткими. В любом случае их материал не должен сильно изменять свой размер со временем и под действием перепадов температур. Для пластин гибких дисков используют майлар или лавсан, для жестких – обычно алюминий, реже керамику или стекло. На поверхность пластины наносят рабочий магнитный слой из окиси железа или хрома. Хранимую информацию представляет состояние намагниченности отдельных участков рабочей поверхности. От качества материала рабочего слоя (коэрцитивной силы, размера зерна) зависит допустимая плотность записи информации. Более высокой плотности хранения информации позволяет добиться применение металлического носителя – Plated Media. Механическая прочность и устойчивость рабочего слоя определяет долговечность носителя. Традиционно для записи и считывания информации используются магнитные головки, представляющие собой миниатюрные катушки индуктивности, намотанные на магнитном сердечнике с зазором. При записи головка намагничивает участок магнитного слоя, проходящий под рабочим зазором, в направлении, определяемом направлением протекающего тока. При проходе намагниченных участков поверхности около индуктивной головки считывания в момент смены направления намагниченности в ней наводятся импульсы э.д.с., полярность которых определяется знаком смены направления. Таким образом, сигнал считывания в индуктивной головке по форме представляет собой производную от записанного сигнала. Это свойство обязательно учитывается при выборе способа модуляции. Требования к оптимальной конструкции головок для процессов записи и считывания различаются, так что универсальная головка представляет собой некоторый компромисс. Первые индуктивные головки содержали проволочные обмотки, их сменили головки, выполненные по тонкопленочной технологии TF (Think Film) – тонкая пленка.

В современных накопителях для считывания все чаще применяют магниторезистивные головки, основанные на эффекте анизотропии сопротивления полупроводников в магнитном поле (AMR– anisotropic magnetoresistance). Измеряемый ток, пропускаемый через магниторезистивный датчик пропорционален падению напряжения на нем и, соответственно, намагниченности находящегося под головкой участка магнитной поверхности. В отличие от индуктивной головки магниторезистивная головка формирует сигнал не по производной записанного сигнала, а повторяет его форму. Магниторезистивная головка считывания хорошо согласуется с индуктивной головкой записи, что позволяет достигать высокой плотности записи информации на магнитный носитель. Однако по технологии изготовления она сложнее тонкопленочной индуктивной, поскольку в ней сочетаются разнородные компоненты. Помимо магниторезистивных головок следует отметить еще один тип головок, основанный на эффекте спин – клапана (spin valve). Суть этого супермагниторезистивного эффекта в том, что использование различных тонкопленочных слоев в конструкции головки значительно повышает чувствительность головки при ее прохождении над зонами с различной намагниченностью. Это делает возможным распознавание с помощью цифровых алгоритмов обработки сигнала воспроизведения более двух состояний. Ранее необходимо было надежно распознать два уровня (сигналы, соответствующие логическому нулю и единице). Технология spin – valve позволит повысить плотность записи для жестких дисков более 10 Гбайт на квадратный дюйм [ ].

Скорость вращения дисков у разных накопителей различна. У накопителей на гибких дисках она составляет 300 или 360 об/мин. У первых накопителях на жестких дисках она составляла – 3600 об/мин. Скорость обмена информацией с диском напрямую связана со скоростью вращения диска. У современных дисков скорость составляет 5400 и 7200 об/мин. У накопителей в составе RAID – массивов скорость достигает 14000 об/мин. Однако высокие скорости вращения порождают проблемы, связанные с балансировкой, гироскопическим эффектом и аэродинамикой головок. Из-за гироскопического эффекта не рекомендуется перемещение (смена ориентации оси шпинделя) включенных накопителей с вращающимся шпинделем. Накопители для портативных компьютеров и RAID – массивов разрабатываются с учетом этих эффектов. Для магнитных головок очень критично расстояние от головки до поверхности магнитного слоя носителя. В накопителях на гибких дисках в нерабочем положении головка поднята над поверхностью диска на несколько миллиметров, а в рабочем прижимается к поверхности диска специальным электромагнитным приводом. Однако, непосредственный контакт головки с поверхностью допустим лишь при малых скоростях движения носителя.

В накопителях с высокой скоростью вращения головки поддерживаются на микроскопическом расстоянии от рабочей поверхности аэродинамической подъемной силой. ”Падение” головки на рабочую поверхность, которое произойдет, если диск остановится, может повредить как головку, так и поверхность диска. Чтобы этого не происходило, в нерабочем положении головки паркуются (Park) – отводятся в нерабочую зону, где допустимо их ”приземление”. Старые винчестеры требовали выполнения операции парковки, инициируемой программным обеспечением. В современных накопителях парковка осуществляется автоматически при снижении напряжения питания или же при снижении скорости вращения шпинделя ниже допустимого значения. Контроллеры современных дисков не ”выпустят” головок из зоны парковки, пока шпиндель не наберет заданных оборотов. Высота ”полета” головки должна выдерживаться довольно строго, иначе магнитные поля головок будут смещаться относительнорабочего слоя. Высота определяется тем положением, когда подъемная сила, определяемая скоростью вращения, формой ”крыла” головки и плотностью воздуха, уравновесит давление прижимающей головку пружины. Плотность воздуха меняется в зависимости от атмосферного давления, и по этой причине в параметрах накопителей указывают максимальную высоту над уровнем моря, на которой может работать накопитель (или минимальное атмосферное давление).

В качестве привода для позиционирования головок на нужный цилиндр в накопителях ГМД и старых винчестерах применяли шаговые двигатели. Эти двигатели под действием серии импульсов, подаваемых на их обмотки, способны поворачивать свой вал на определенный угол, кратный минимальному шагу, определяемому конструкцией двигателя. Вращательное движение вала шагового двигателя преобразовывалось в поступательное движение с помощью червячного механизма или металлической ленты, намотанной на вал. Таким образом, поворот вала двигателя на один шаг приводил к перемещению блока головок на один цилиндр. Червячная передача в этом случае должна быть высококачественной, иначе люфты в ней могут приводить к погрешности позиционирования. Ленточная передача свободна от люфтов и обеспечивает более высокую точность и быстродействие при позиционировании. Однако, при изменении температуры и со временем из-за износа положение дорожек на носителе, задаваемое только шаговым двигателем, будет меняться, и ранее записанная информация может считываться с искажениями.

Требования к точности позиционирования растут с повышением поперечной плотности хранения информации (количества цилиндров на диске), а быстродействие позиционирования определяет время доступа, которое стремятся уменьшить. С точки зрения теории автоматического управления привод с шаговым двигателем является разомкнутой системой, (то есть системой без обратной связи). Такая система не позволяет корректировать ошибки позиционирования, вызванные, например, температурным изменением размеров дисков. Конечно, при всех операциях обмена проверяется адресный маркер цилиндра и в случае его несовпадения делается повторная попытка позиционирования – возврат к нулевому цилиндру и подача требуемого количества шаговых импульсов. Выход на нулевую дорожку определяется по датчику нулевого цилиндра, в качестве которого обычно применяется оптоэлектронная пара с флажком, связанным с блоком головок (для НГМД). Точное положение датчика нулевого цилиндра для несменных дисков не так существенно - главное, чтобы оно не менялось после процедуры низкоуровневого форматирования, обеспечиваемой при изготовлении.

В современных накопителях применяют привод головок с подвижной катушкой (Voice Coil Actuator), работающий по принципу звуковой катушки динамика. В таком приводе блок головок связан с катушкой индуктивности, помещенной в магнитное поле постоянного магнита. При протекании тока через катушку на нее начинает действовать сила, пропорциональная силе тока, которая вызовет перемещение катушки, а, следовательно, и блока головок. Привод может быть линейным или поворотным.

В накопителе с линейным приводом катушка с блоком головок перемещается по радиусу дисков. Такой привод применялся в накопителях больших ЭВМ (MainFrame).

В накопителе с поворотным приводом блок головок с катушкой размещен на поворотной рамке (рис. 5.46), и траектория головок отличается от радиальной. При этом азимут головки относительно дорожки меняется при перемещении головки, и эта азимутальная погрешность нежелательна для работы головок записи и считывания. В большинстве современных накопителей на жестких дисках применяется поворотный привод. Управляя направлением и силой тока, можно быстро перевести блок головок в любое положение – произвольное, а не по фиксированным шагам.

Рис. 5.46. Поворотный привод головки

Привод, обеспечивающий точное позиционирование по сигналу обратной связи, называется сервоприводом. Управление сервоприводом может быть оптимизировано по времени установления головок на требуемую позицию: когда отклонение от заданного положения велико, можно подавать больший ток, вызывающий большое ускорение блока. По мере приближения ток уменьшается, а для компенсации инерции в конце позиционирования ток может и поменять направление (активное торможение). Такая система привода позволяет сократить время доступа до единиц миллисекунд против сотен миллисекунд, характерных для шагового привода. Необходимо только наличие сигнала обратной связи для сервопривода, который, с точки зрения теории автоматического управления, является замкнутой системой.

В первых накопителях с линейным приводом использовалась специальная зубчатая рейка и магнитный датчик, по сигналу которого отсчитывался номер дорожки. Однако по отношению к диску такая система привода все равно оставалась разомкнутой, – привод позиционировал головки по своим ”соображениям” о координатах.

Замкнуть систему управления позволило размещение сервометок – вспомогательной информации для ”системы наведения” – прямо на диске. В таком случае изменения размеров диска и привода под действием температуры и других факторов перестает существенно влиять на точность позиционирования, поскольку сервометки располагаются на тех же искомых дорожках. Сервометки записываются при сборке накопителя, когда для позиционирования используется внешнее специальное технологическое оборудование. В процессе эксплуатации сервометки только считываются, а серводорожки построены таким образом, что по считываемым сигналам обеспечивается быстрая и точная идентификация положения головки для поиска и слежения за положением головок относительно найденной дорожки.

По месту размещения сервометок различают накопители с выделенной сервоповерхностъю (Dedicated Servo) и со встроенными сервометками (Embeded Servo).

В первом случае в пакете дисков выделяется одна поверхность, используемая исключительно для хранения сервометок, и соответствующая ей головка является сервоголовкой. Ошибка позиционирования в такой системе может возникать вследствие изменения взаимного положения (перекоса) головок в блоке. Сервоголовка для следящей системы дает информацию практически непрерывно, что улучшает качество процесса поиска и слежения. Верным признаком выделенной сервоповерхности является нечетное количество головок (рабочих), указанное для данного накопителя.

В накопителях со встроенными сервометками информация для сервопривода записывается на рабочих поверхностях между секторами с данными. Она может размещаться в начале каждой дорожки, – при этом на диске появляется клиновидная область сервометок. Недостатком такого размещения является то, что сервоинформация (сигнал обратной связи) доступна дискретно с периодичностью в один оборот диска, который для скорости 3600 об/мин занимает 16,6 мс. До точного позиционирования приходится выжидать нескольких оборотов диска.

Более быстродействующий вариант – размещение сервометок перед каждым сектором (рис. 5.46), что позволяет выйти на заданную дорожку даже за доли оборота шпинделя. Преимущество встроенных сервометок в том, что он позволяет компенсировать любые изменения геометрии, поскольку система наводит головки именно по той дорожке, к которой выполняется доступ.

Рис. 5.46. Встроенные сервокоды.

Существуют накопители и с гибридной сервосистемой, где кроме выделенной сервоповерхности используются и сервометки, размещенные на рабочих поверхностях.

Вся электромеханическая часть накопителя – пакет дисков со шпиндельным двигателем и блок головок с приводом, сокращенно называемая HDA (Head Disk Assembly), заключается в защитный кожух. Воздух в корпусе накопителя должен быть чистым – мелкая частичка (микронного размера), попавшая под головку, под которой вращается носитель со скоростью в несколько десятков километров в час, может поцарапать и головку и диск. Обычно кожух не герметичен – в нем имеется отверстие, закрытое фильтром. Оно обеспечивает выравнивание давления внутри сборки с атмосферным. Кроме этого фильтра, называемого барометрическим, имеется еще и внутренний рециркуляционный фильтр. Этот фильтр устанавливается на пути потока воздуха, увлекаемого вращающимся пакетом дисков. Он улавливает частички, которые могут выбиваться из поверхности дисков при ”взлете” и ”посадке” головок. Разборку блока HDA можно производить только в специальном помещении или боксе с воздухом, очищенным от пыли (если предполагается, что после переборки накопитель должен будет снова работать).

Кроме пыли, в корпусе накопителя могут образоваться капельки конденсата влаги. Если накопитель находился на морозе, то в теплом помещении перед включением он должен быть выдержан несколько часов, пока конденсат не испарится с отогревшихся частей. Если запустить не отогревшийся накопитель, последствия для рабочих поверхностей могут быть катастрофическими, особенно если головки примерзнут к пластинам. Однако, существуют и специальные накопители для работы в особых климатических условиях. Они имеют герметичный корпус, который выдерживает разность внутреннего и наружного давления. В персональных компьютерах, как правило, применяют накопители обычного исполнения.

Кроме электромеханических узлов, дисковый накопитель включает блок электроники, управляющий приводами шпинделя и головок, а также обслуживающий сигналы рабочих головок записи-считывания.

Контроллером накопителя называют электронное устройство, обеспечивающее взаимодействие с системным или периферийным интерфейсом ЭВМ и блоком HDA. Современные накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) имеют выход на интерфейсы АТА, SCSI (параллельные) и USB, Fire Wire, SATA, Ethernet, SAS, Fibre Channel (последовательные) .

Для хранения информации на магнитных носителях необходимо сформировать последовательный код, который, кроме записываемых данных, должен включать и синхронизирующие сигналы. Заметим, что индуктивные считывающие головки воспринимают только факты изменения состояния намагниченности участков дорожки. Отметим, что физическое исполнение накопителя – магнитные свойства носителя, конструкция головок, скорость движения, высота полета головок и т. п. задают предельно достижимую продольную плотность записи – плотность изменения состояния намагниченности (Flux Density), которую необходимо использовать максимально эффективно. Эта плотность измеряется в количестве зон с различным состоянием намагниченности на дюйм длины дорожки – FCI (Flux Changes per Inch – изменений потока на дюйм) и в современных накопителях достигает десятков тысяч. Для записи на диск используются различные схемы кодирования (Data Encoding Scheme), отличающиеся по сложности реализации и эффективности работы. В первых моделях накопителей ГМД использовалась частотная модуляция FM (Frequency Modulation), рис. 5.47.

Рис. 5.47. Кодирование методом FM.

Параметры накопителя ГМД:

-скорость вращения диска – 300 об/мин.

-диаметр диска – 5.25 дюйма.

В этом случае на 1 бит отводится время 8 мкс. Здесь для каждого бита данных на дорожке отводится ячейка с окнами для представления бита и синхросигнала, что весьма неэффективно расходует предел FCI. Более эффективна модифицированная частотная модуляция MFM (Modified Frequency Modulation), в которой синхросигнал вводится только при кодировании подряд следующих нулевых бит, что позволяет удвоить плотность записи при той же плотности изменения потока. FM и MFM являются схемами с побитным кодированием. Более эффективны схемы группового кодирования, при которых цепочка байт данных (сектор) предварительно разбивается на группы по нескольку бит, которые кодируются по определенным правилам.

Схема кодирования RLL (Run Length Limited) построена на ограничении длины неперемагничиваемых участков дорожки. Наиболее популярна схема RLL 2.7 – в ней число неперемагничиваемых ячеек лежит в диапазоне от 2 до 7. Для накопителей с высокой плотностью используется схема RLL 1.7, обеспечивающая большую надежность считывания. Существует и схема ARLL (Advanced RLL) – малораспространенная схема RLL 3.9. Схемы RLL стали работоспособными только при определенном уровне качества (стабильности характеристик), достигнутом в области технологии создания магнитных накопителей. По этим схемам происходит упаковка данных и исключение избыточных синхросигналов. FM и MFM являются разновидностями RLL:

FM эквивалентна RLL 0.1; MFM – RLL 1.3. Соотношение полезной плотности записи BPI (Bit Per Inch – бит на дюйм) при одинаковой плотности FCI при популярных схемах кодирования следующее: FM : MFM : RLL 1.7 : RLL 2.7 равно 1 : 2 : 2,54 : 3.

На сегодняшний день используется и другая технология записи и идентификации сигналов при считывании, получившая название PRML. Технология PRML состоит из двух частей:

PR (Partial Response) – получение цифровых эквивалентов аналогового сигнала с головки и запись последовательности этих выборок в буфер. Для преобразования больше всего подходит сигнал с магниторезистивной головки, поскольку его форма повторяет форму напряженности магнитного поля (а не производную, как в индуктивных головках). Следующий этап считывания предполагает цифровую фильтрацию записанного сигнала.

Вторая часть аббревиатуры – ML (Maximum Likelihood) и означает, что принятые фрагменты трактуются, как группы закодированных бит по максимальной похожести формы отклика. Современная техника цифровой обработки сигналов позволяет полностью выполнять декодирование PRML ”на лету” с помощью цифровых сигнальных процессоров (DSP), входящих в состав контроллеров накопителя, обеспечивая скорость считывания выше, чем при аналоговом декодировании RLL.

Информация на дисках записывается и считывается посекторно, и каждый сектор имеет определенную структуру (формат). В начале каждого сектора имеется заголовок, за которым следует поле данных и поле контрольного кода. В заголовке имеется поле идентификатора, включающее номер цилиндра, головки и собственно сектора. В этом же идентификаторе может содержаться и пометка о дефектности сектора, служащая указанием на невозможность его использования для хранения данных. Достоверность поля идентификатора проверяется с помощью контрольного кода заголовка. Заголовки секторов записываются только во время операции низкоуровневого форматирования, причем для всей дорожки сразу. При обращении к сектору по чтению или записи заголовок только считывается. Поле данных сектора отделено от заголовка небольшой зоной, необходимой для того, чтобы при операции записи головка (точнее, обслуживающая ее схема) могла успеть переключиться с режима чтения (заголовка) в режим записи (данных). Завершает сектор контрольный код поля данных – CRC (Cyclic Redundancy Check – избыточный циклический контроль) или ЕСС (Error Checking and Correcting – обнаружение и коррекция ошибок). CRC-код позволяет только обнаруживать ошибки, а ЕСС-код позволяет и исправлять ошибки небольшой кратности. В межсекторных промежутках, как уже говорилось выше, может размещаться и сервоинформация.

Структура дорожки – последовательность секторов – задается при его форматировании, а начало дорожки определяется контроллером по сигналу от индексного датчика. Нумерация секторов, которая задается контроллеру при форматировании, может быть достаточно произвольной – важно лишь, чтобы все секторы дорожки имели уникальные номера в пределах допустимого диапазона. При обращении к сектору он ищется по идентификатору, а если за один или несколько оборотов сектор с указанным номером не будет найден, контроллер зафиксирует ошибку Sector Not Found – сектор не найден. Забота о поиске сектора по его заголовку, помещение в его поле данных записываемой информации, снабженной контрольным кодом, а также считывание этой информации и ее проверка с помощью CRC или ЕСС–кода лежит на контроллере накопителя. Контроллер управляет также поиском затребованного цилиндра и коммутацией головок, выбирая нужную дорожку.

Рассмотрим пути оптимизации дисков, направленные на повышение производительности (средней скорости обмена данными). Время, затрачиваемое на обмен данными одного сектора, складывается из:

-Времени поиска цилиндра (Seek Time).

-Времени ожидания подхода сектора к головке (Latency Time).

-Времени обмена данными сектора между накопителем и контроллером и между контроллером и памятью компьютера, являющейся источником и пунктом назначения хранимых данных.

Основными факторами, определяющими эти затраты времени, являются электромеханические: достижимая скорость позиционирования и скорость вращения диска. Последний параметр определяет и ожидание сектора (в среднем это половина периода оборота диска), и время собственно передачи данных сектора (оно примерно равно времени оборота, деленному на количество секторов на дорожке). Однако одиночная передача сектора встречается редко, поскольку его размер невелик. Интерес представляет оптимизация передачи блока данных, расположенных в соседних секторах. Вполне естественно, что если блок данных не умещается в одном секторе, его продолжение будет храниться на той же дорожке в секторе со следующим номером, поскольку для доступа к нему нужно только дождаться его подхода к головке. Когда емкость дорожки будет исчерпана, логично перейти на следующую поверхность того же цилиндра, для чего достаточно только переключить головки, что выполняется электронным путем довольно быстро. Использовав все секторы цилиндра, переходят к следующему цилиндру, для чего уже необходимо переместить головки – то есть затратить заметное время на операцию поиска.

Дефрагментирующие программы занимаются тем, что размещают все блоки файлов в последовательных кластерах, следовательно, и в секторах, упорядоченных по данному способу счета.

Допустимое количество секторов определяется допустимой плотностью изменения магнитного потока, длиной дорожки и схемой кодирования данных. Длина дорожки определяется ее диаметром, следовательно, внешние дорожки дисков длиннее внутренних. В накопителях с внешним контроллером количество секторов на всех дорожках принимается постоянным. Поскольку приходится ограничивать число секторов по допустимой плотности изменения магнитного потока на самых коротких внутренних дорожках, внешние дорожки оказываются ”недогруженными”. В старых накопителях для схемы кодирования MFM на каждой дорожке помещали 17 секторов по 512 байт данных, а для схемы RLL 26 секторов. Позднее число секторов на дорожку увеличилось до 32 – 80.

Зная количество секторов на дорожке, размер сектора и частоту вращения диска, можно определить максимальную скорость передачи данных между накопителем и контроллером. Так, для диска MFM с 17 секторами на дорожку и скоростью вращения 3600 об/мин скорость передачи данных составит 17x512x3600 = 31,3 миллиона байт в минуту, или около 500 Кбайт/с при чередовании 1:1. При чередовании 2:1 за один оборот будет передано только 8 или 9 секторов, то есть скорость снижается вдвое. Из-за того, что линейная скорость носителя относительно головки на внутренних цилиндрах меньше, чем на внешних, для обеспечения нормальной записи при меньшей скорости в старых накопителях приходилось применять предкомпенсацию записи. Для современных накопителей со встроенным контроллером этот параметр игнорируется, поскольку они сами анализируют работу со своими дисками. Уменьшить неравномерность линейной плотности информации на внутренних и внешних цилиндрах можно применением форматирования дорожек с различным количеством секторов. Метод форматирования, называемый зонной записью (Zoned Recording), позволяет существенно увеличить объем хранимых данных по сравнению с фиксированным числом секторов при тех же характеристиках носителя. Суть метода в том, что с учетом различия в длине дорожек цилиндры разбиваются на зоны, для которых принимается одинаковое число секторов на дорожку. Для внешних цилиндров число секторов на дорожке выбирается большим, чем на внутренних. В этом случае скорость передачи информации на внешних дорожках будет выше, чем на внутренних (за один оборот будет передаваться большее количество секторов). Контроллер, встроенный в накопитель, ”скрывает” от системы переменное физическое число секторов на дорожке , а для ”общения” с ним используется логическая геометрия диска. Низкоуровневое форматирование дисков – LLF (Low Level Formatting) – это процедура создания структуры секторов диска, которая для каждого накопителя (или сменного носителя) должна быть выполнена перед его использованием в качестве устройства хранения данных. Процедура сводится к тому, что каждая дорожка диска размечается и верифицируется. При разметке дорожки на нем формируются заголовки секторов, а в поля данных записывается код–заполнитель. Отформатировать дорожку можно только целиком – за одну операцию должны быть записаны все его секторы. В процессе верификации делается попытка считывания каждого сектора, и если при считывании обнаруживается устойчивая ошибка, сектор в заголовке помечается как дефектный. Для гибких дисков низкоуровневое форматирование является составной частью процесса форматирования, выполняемого утилитой FORMAT или ей подобными. Во время форматирования жестких дисков формируется структура пакета дисков со всеми чередованиями, смещениями и так далее.

Низкоуровневое форматирование современных накопителей жестких дисков, выполняется только фирмой – изготовителем с помощью специальных программных средств.

Поиск по сайту: