Методическое пособие по выполнению лабораторной работы № 4 "Изучение устройства накопителя на жестких магнитных дисках с сервоприводом головок записи/считывания" для МДК.02.02 Установка и конфигурирование периферийного оборудования
методическая разработка по теме

Лабораторная работа № 4 – 4 часа

ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА НАКОПИТЕЛЯ НА ЖЕСТКИХ МАГНИТНЫХ ДИСКАХ С СЕРВОПРИВОДОМ ГОЛОВОК ЗАПИСИ/СЧИТЫВАНИЯ

Цель работы: изучить физические элементы накопителей разных типов.

Задание: изучить паспортные данные, физическое устройство, назначение переключателей и перемычек накопителей SEAGATE, SAMSUNG, FUJITSU, MACSTOR, WESTERN DIGITAL.

Оборудование: препарированные модели жестких дисков от разных производителей.

1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Современные жёсткие диски, несмотря на кажущуюся простоту устройства, можно смело отнести к высокотехнологичным устройствам и тому есть несколько причин, например наличие высокоточной механики, работающей под управлением очень сложного программного обеспечения.

Современный жёсткий диск по большому счёту состоит из двух компонентов - гермозоны (гермоблока) и платы управления (электроники). В свою очередь, каждый из этих компонентов состоит из множества других, более мелких, зачастую даже узкоспециализированных.

Плата управления - электроника жёсткого диска

Плата управления жёсткого диска - узкоспециализированный компьютер, назначением которого является обмен информацией с системной платой компьютера и управлением внутренних процессов, происходящих в жёстком диске.

Самая крупная микросхема на плате - центральный процессор. Это специализированный, цифро-аналоговый процессор, который занимается обработкой как цифровой информации, поступающей с компьютера, так и аналоговой информации, поступающей с блока магнитных голов. По некоторым характеристикам такие специализированные процессоры могут превосходить Intel Core I7, даже не смотря на меньшую тактовую частоту.

Вторым важным компонентом (правее процессора) является микросхема DRAM - это кэш память жёсткого диска. Её назначение мало чем отличается от кэша центральных процессоров наших компьютеров.

Третьим важным компонентом является драйвер двигателя (на фотографии третья по размеру микросхема, чуть правее микросхемы памяти). Назначение данной микросхемы определяет её название - запуск и остановка шпиндельного двигателя, контроль его оборотов, управление сервоприводом и у некоторых дисков, формирование напряжения питания некоторых компонентов и узлов.

Есть ещё один очень важный компонент на плате управления - ПЗУ в данном случае она расположена чуть ниже микросхемы DRAM (чёрная, по 4 ножки с каждой из двух сторон). В этой микросхеме находится базовая программа и стартовая адаптивная информация, необходимая для успешного запуска и инициализации жёсткого диска. Основной же программный код находится на магнитных пластинах носителя в так называемой служебной зоне. В последнее время, на самых современных жёстких дисках такая микросхема отсутствует, её содержимое теперь находится в процессоре жёсткого диска и жёстко связано с содержимым служебной информации, иными словами это делает невозможным ремонт жёсткого диска методом замены платы управления.

Гермозона - гермоблок жёсткого диска

Гермоблок жёсткого диска - высокоточное устройство, в котором взаимодействуют несколько очень важных компонентов. Данное устройство состоит из: шпиндельного двигателя, пакета магнитных пластин, блока магнитных головок, находящихся на гибких подвесах, сервопривода, постоянного магнита и коммутатора - предусилителя.

1. Шпиндельный двигатель - это устройство, состоящее из двух компонентов - двигателя, сделанного на жидкостных подшипниках и шпинделя, к которому крепятся магнитные пластины. Скорость вращения шпинделя у современных жёстких дисков составляет 5400, 5900, 7200, 10000 и 15000 тысяч оборотов в минуту. Скорость вращения напрямую влияет на некоторые аспекты производительности накопителя.

2. Пакет магнитных пластин - это то самое место, на котором хранится наша ценная информация. Магнитные пластины современных жёстких дисков изготавливают из специальных биметаллических сплавов, обладающих очень маленьким коэффициентом температурного расширения с нанесением специализированного магнитного покрытия. Некоторые производители жёстких дисков в качестве основы используют стекло с напылением магнитного слоя. К основным характеристикам магнитных пластин можно отнести плотность хранения данных и чем выше она, тем более производительным будет жёсткий диск. У некоторых моделей жёстких дисков производители специально занижают плотность, тем самым уменьшая объём жёсткого диска. Делается это для уменьшения количества брака, неизбежно возникающего в результате производства. Поэтому, например, жёсткие диски Seagate 7200.12 ёмкостью 500 Gb и 160 Gb будут иметь разную производительность, естественно не в пользу младшего собрата.

3. Поворотная рамка сервопривода (позиционера) и постоянный магнит образуют так называемый сервопривод. Это устройство занимается тем, что перемещает магнитные головки по поверхности магнитных пластин.

4. Блок магнитных головок. Прямым назначением данного устройства является чтение и запись информации. Размер каждой головки меньше спичечной и это при том, что каждая из головок состоит из "канала чтения" и "канала записи". Переключением режимов чтения, записи, а так же выбором активной головки занимается специализированная микросхема, именуемая "коммутатор - предусилитель". Ещё одним нем аловажным моментом является то, что у современных жёстких дисков головки "плавают" над поверхностью пластин на расстоянии несколько нанометров, а у самых современных, сделанных по технологии перпендикулярной записи ещё и могут изменять расстояние до магнитной пластины. Такие маленькие расстояния, к сожалению, очень пагубно сказываются на удароустойчивости современных жёстких дисков. В результате падения, либо сильной тряски магнитные головки могут задеть поверхность магнитных пластин, и тогда происходит либо прилипание головок к пластине, либо обрыв магнитных головок, либо просто их повреждение. В некоторых случаях повреждаются и пластины - остаются царапины, которые нельзя отполировать, отшлифовать, программно обойти и т.д. Подвесы, на которых находятся магнитные головки гибкие и во время работы головки "плавают" только за счёт воздушного потока, создаваемого вращением пластин.

Для управления приводами с подвижной катушкой в разное время использовались три способа построения петли обратной связи:

• со вспомогательным “клином”;
• со встроенными кодами;
• с выделенным диском.

Они различаются технической реализацией, но, по сути, предназначены для достижения одной и той, же цели: обеспечивать постоянную корректировку положения головок и их наведение (позиционирование) на соответствующий цилиндр. Основные различия между ними сводятся к тому, на каких участках поверхностей дисков записываются сервокоды.

При всех способах построения петли обратной связи для ее работы необходима специальная информация (сервокоды), которая записывается на диск при его изготовлении. Обычно она записывается в так называемом коде Грея. В этой системе кодирования при переходе от одного числа к следующему или предыдущему изменяется всего один двоичный разряд. При таком подходе информация считывается и обрабатывается намного быстрее, чем при обычном двоичном кодировании, и определение местоположения головки происходит практически без задержки. Сервокоды записываются на диск при сборке накопителя и не изменяются в течение всего срока его эксплуатации.

Запись сервокодов выполняется на специальном устройстве, в котором головки последовательно перемещаются на строго определенные позиции, и в этих положениях на диски записываются упомянутые выше коды. Для точной установки головок в таких устройствах используется лазерный прицел, а расстояния определяются методом интерференции, т.е. с точностью до долей волны лазерного излучения. Поскольку перемещение головок в таком устройстве осуществляется механически (без участия собственного привода накопителя), все работы проводятся в чистом помещении либо с открытой крышкой блока HDA, либо через специальные отверстия, которые по окончании записи сервокодов заклеиваются герметизирующей лентой.

Устройства для записи сервокодов стоят около 50 тыс. долларов и часто предназначаются для какой-либо определенной модели накопителя. Некоторые компании, занимающиеся ремонтом накопителей, располагают такими устройствами, т.е. могут выполнить перезапись сервокодов при повреждении накопителя. Если же в ремонтной компании нет устройства для записи сервокодов, то неисправный накопитель отсылается изготовителю.

При обычных операциях считывания и записи удалить сервокоды невозможно. Этого нельзя сделать даже при форматировании низкого уровня, сервокоды надежно защищены, и удалить их невозможно.

Поскольку привод с подвижной катушкой отслеживает реальное положение дорожек, ошибки позиционирования, возникающие со временем в накопителях с шаговым двигателем, в данных устройствах отсутствуют. На их работе не сказывается также расширение и сжатие дисков, происходящее вследствие колебаний температур. Во многих современных накопителях с приводом от подвижной катушки в процессе работы через определенные промежутки времени выполняется температурная калибровка. Эта процедура заключается в том, что все головки поочередно переводятся с нулевого на какой-либо другой цилиндр. При этом с помощью встроенной схемы проверяется, насколько сместилась заданная дорожка относительно своего положения в предыдущем сеансе калибровки, и вычисляются необходимые поправки, которые заносятся в оперативное запоминающее устройство в самом накопителе. Впоследствии эта информация используется при каждом перемещении головок, позволяя устанавливать их с максимальной точностью.

В большинстве накопителей температурная калибровка выполняется через каждые 5 мин в течение первого получаса после включения питания, а затем через каждые 25 мин. Эта процедура выполняется в большинстве современных интеллектуальных накопителей (IDE, SATA, SCSI, SAS), что в конечном итоге позволяет подводить головки к дорожкам с максимально возможной точностью.

Однако по мере распространения мультимедийных программ подобные перерывы в работе накопителей становятся помехой. Дело в том, что при выполнении калибровки прекращаются все процессы обмена данными с накопителем и, например, воспроизведение звуковых или видеофрагментов приостанавливается. Поэтому производители таких накопителей начали выпуск их специальных A/V-модификаций (Audio Visual — A/V), в которых начало очередной температурной калибровки задерживается до тех пор, пока не закончится текущий сеанс обмена данными. Большинство новых моделей устройств ATA относится к этому типу, т.е. воспроизведение звуковых и видеофрагментов не прерывается процедурами калибровки. Накопители АТА, поддерживающие функцию A/V, также используются в компьютерных телевизионных приставках, применяемых для цифровой записи. К приставкам такого рода относятся хорошо известные устройства TiVo и ReplayTV.

Большинство устройств, которые осуществляют автоматическую температурную калибровку, выполняют также и развертку диска. Дело в том, что, хотя головки не касаются носителя, они располагаются настолько близко к нему, что начинает сказываться воздушное трение. Несмотря на сравнительно малую величину, оно все же может привести к преждевременному износу поверхности диска в том случае, если головка будет постоянно (или почти постоянно) находиться над одной и той же дорожкой. Чтобы этого не произошло, выполняется следующая процедура. Если головка слишком долго остается неподвижной (т.е. операции считывания и записи не выполняются), то она автоматически перемещается на случайно выбранную дорожку, расположенную ближе к краям диска, т.е. в ту область, где линейная скорость диска максимальна, а, следовательно, воздушный просвет между его поверхностью и головкой имеет наибольшую величину. Если после перевода головки диск снова окажется “в простое” в течение такого же времени, то головка переместится на другую дорожку, и т.д.

Функция развертки, обеспечивающая равномерное распределение рабочего давления по поверхности диска, позволяет предотвратить расположение головки над одним цилиндром в течение длительного времени. Трение, возникающее между головкой и поверхностью жесткого диска, со временем может привести к повреждению носителя. Головки не имеют непосредственного контакта с носителем, однако находятся настолько близко, что постоянное воздушное давление, создаваемое головкой, плавающей над цилиндром, может стать причиной избыточного износа. На рисунке ниже показаны вспомогательный клин и встроенные сервокоды.

Вспомогательный клин

Такая система записи сервокодов использовалась в первых накопителях с подвижной катушкой. Вся информация, необходимая для позиционирования головок, записывалась в кодах Грея в узком секторе (“клине”) каждого цилиндра непосредственно перед индексной меткой. Индексная метка обозначает начало каждой дорожки, т.е. вспомогательная информация записывается в предындексном интервале, расположенном в конце каждой дорожки. Этот участок необходим для компенсации неравномерности вращения диска и тактовой частоты записи, и контроллер диска обычно к нему не обращается.

Некоторым контроллерам необходимо сообщать о том, что к ним подключен накопитель со вспомогательным клином. В результате они корректируют (сокращают) длину секторов, чтобы поместить область вспомогательного клина.

Самый существенный недостаток подобной системы записи состоит в том, что считывание происходит только один раз при каждом обороте диска. Это означает, что во многих случаях для точного определения и коррекции положения головок диск должен совершить несколько оборотов. Недостаток этот был очевиден с самого начала, поэтому подобные системы никогда не были широко распространены, а сейчас и вовсе не используются.

Встроенные сервокоды

Такой метод реализации обратной связи представляет собой улучшенный вариант системы со вспомогательным клином. В данном случае сервокоды записываются не только в начале каждого цилиндра, но и перед началом каждого сектора. Это означает, что сигналы обратной связи поступают на схему привода головок несколько раз в течение каждого оборота диска, и головки устанавливаются в нужное положение намного быстрее. Еще одно преимущество (по сравнению с системой со специализированным диском) заключается в том, что сервокоды записываются на всех дорожках, поэтому может быть скорректировано положение каждой головки (это касается тех случаев, когда отдельные диски в накопителе нагреваются или охлаждаются по-разному либо подвергаются индивидуальным деформациям).

Описанный способ используется в большинстве современных накопителей. Как и в системах со вспомогательным клином, встроенные сервокоды защищены от стирания, и любые операции записи блокируются, если головки оказываются над участками со служебной информацией. Поэтому даже при форматировании низкого уровня удалить сервокоды невозможно.

Система со встроенными сервокодами работает лучше, чем со вспомогательным клином, потому что служебная информация (сервокоды) считывается несколько раз за каждый оборот диска. Но вполне очевидно, что еще более эффективной должна быть система, при которой цепь обратной связи работает непрерывно, т.е. сервокоды считываются постоянно.

Системы с выделенным диском

При реализации данного способа сервокоды записываются вдоль всей дорожки, а не только один раз в ее начале или в начале каждого сектора. Естественно, если так поступить со всеми дорожками накопителя, то в нем не останется места для данных. Поэтому одна сторона одного из дисков выделяется исключительно для записи сервокодов. Термин выделенный диск означает, что одна сторона диска предусмотрена только для записи служебной информации (сервокодов) и данные здесь не хранятся. Такой подход на первый взгляд может показаться довольно расточительным, но необходимо учесть, что ни на одной из сторон остальных дисков сервокоды уже не записываются. Поэтому общие потери дискового пространства оказываются примерно такими же, как и при использовании системы встроенных кодов.

При сборке накопителей с выделенным диском одна из сторон определенного диска изымается из нормального использования для операций чтения/записи; вместо этого на ней записывается последовательность сервокодов, которые в дальнейшем используются для точного позиционирования головок. Причем обслуживающая эту сторону диска сервоголовка не может быть переведена в режим записи, т.е. сервокоды, как и во всех рассмотренных выше системах, невозможно стереть ни при обычной записи данных, ни при форматировании низкого уровня. На рисунке ниже показана схема накопителя с выделенным для сервокодов диском. Чаще всего верхняя или одна из центральных головок предназначена для считывания сервокодов.

Когда в накопитель поступает команда о переводе головок на конкретный цилиндр, внутреннее электронное устройство использует полученные сервоголовкой сигналы для точного определения положения всех остальных головок. В процессе движения головок номера дорожек непрерывно считываются с поверхности специализированного диска. Когда под сервоголовкой оказывается искомая дорожка, привод останавливается. После этого выполняется точная настройка положения головок и лишь затем выдается сигнал разрешения записи. И хотя только одна головка (сервоголовка) используется для считывания сервокодов, все остальные смонтированы на общем жестком каркасе, поэтому если одна головка находится над нужным цилиндром, то и все остальные будут находиться над ним.

Отличительный признак накопителя с выделенным диском — нечетное количество головок. Практически во всех накопителях большой емкости используется описанный способ записи сервокодов, благодаря чему его считывание происходит постоянно, независимо от положения головок. Это позволяет добиться максимальной точности позиционирования головок. Существуют также накопители, в которых сочетаются оба метода корректировки положения головок: со встроенными кодами и с выделенным диском. Однако такие “гибриды” встречаются крайне редко.

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.  Записать паспортные данные изучаемого накопителя.
2.  Составить эскиз размещения разъема питания, интерфейсного разъема, переключателей режима работы накопителя, дать объяснения каждому варианту расположения переключателей.
3.  Составить эскиз электромеханического устройства привода для перемещения головок жесткого диска с сервоприводом.
4.  Составить спецификацию на выполненные эскизы.
5.  Отчет должен содержать:

• эскиз размещения разъемов питания и интерфейсного, переключателей статуса диска;
• эскиз электромеханического устройства сервопривода позиционирования головок;
• спецификацию на составленные эскизы.

          3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

3.1. Перечислить этапы конфигурирования жесткого диска. Как осуществляется установка жесткого диска в статус Master (Slave).

3.2. Приведите паспортные данные вашего диска. Какая сервосистема применяется на вашем жестком диске?

3.3. Что такое температурная погрешность и как она компенсируется на вашем жестком диске?

3.4. Что такое автоматическая парковка головок и как она осуществляется на вашем накопителе?