Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД)

Жесткий магнитный диск (винчестер, НЖМД - Hard Disk Drive) - постоянная память, предназначена для долговременного хранения всей имеющейся в компьютере информации. Операционная система, постоянно используемые программы загружаются с жесткого диска, на нем хранится большинство документов.

Накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД) является одним из ключевых компонентов современного ПК. От него напрямую зависит производительность и надежность системы. Технологии изготовления жестких дисков совершенствуются, размеры программ увеличиваются, данные на компьютере накапливаются.

Основные параметры НЖМД

1. Емкость - накопителя на жестких магнитных дисках имеет объем от 40 Гб до 1024 Гб.

2. Скорость чтения данных. Средний сегодняшний показатель - около 8 Мбайт/с.

. Среднее время доступа. Измеряется в миллисекундах и обозначает то время, которое необходимо диску для доступа к любому выбранному вами участку. Средний показатель - 9 мс.

. Скорость вращения диска. Показатель, напрямую связанный со скоростью доступа и скоростью чтения данных. Скорость вращения жесткого диска в основном влияет на сокращение среднего времени доступа (поиска). Повышение общей производительности особенно заметно при выборке большого числа файлов.

Размер кэш-памяти - быстрой буферной памяти небольшого объема, в которую компьютер помещает наиболее часто используемые данные. У накопителя на жестких магнитных дисках есть своя кэш-память размером до 32 Мбайт.

Конструкция НЖМД

Жесткий магнитный диск (винчестер) состоит из гермоблока (рисунок 1) и платы контроллера (рисунок 2).

Рисунок 1 Гермоблок НЖМД

Рисунок 2 Плата контроллера

Гермоблок

В гермоблоке размещены все механические части, на плате вся управляющая электроника, за исключением предусилителя (предварительного усилителя), размещенного внутри гермоблока в непосредственной близости от считывающих головок.

В гермоблоке установлен шпиндель с одним или несколькими дисками.(рисунок) Диски изготовлены из алюминия (иногда - из керамики или стекла) и покрыты тонким слоем окиси хрома. В настоящее время объем информации, хранимой на одном диске, может достигать 1024 Гбайт. Сбоку шпинделя находится поворотный позиционер. С одной стороны, коромысла расположены обращенные к дискам легкие магнитные головки, а с другой - короткий хвостовик с обмоткой электромагнитного привода. При поворотах коромысла позиционера головки совершают движение по дуге между центром и периферией дисков. Под дисками расположен двигатель, который вращает их с большой скоростью. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует по периметру гермоблока. Пыль губительна для поверхности дисков, поэтому блок герметизирован, воздух в нем постоянно очищается специальным фильтром (рисунок.3 ).

Рисунок.3 Фильтр

Для выравнивания давления воздуха внутри и снаружи в крышках гермоблоков делаются небольшие окна, заклеенные тонкой пленкой. В ряде моделей окно закрывается воздухопроницаемым фильтром. Обмотку позиционера окружает статор, представляющий собой постоянный магнит. При подаче в обмотку тока определенной величины и полярности коромысло начинает поворачиваться в соответствующую сторону с соответствующим ускорением. Динамически изменяя ток в обмотке, можно устанавливать позиционер в любое положение. При вращении дисков аэродинамическая сила поддерживает головки на небольшом расстоянии от поверхности дисков. Головки никогда не соприкасаются с той зоной поверхности диска, где записаны данные. На хвостовике позиционера обычно расположена так называемая магнитная защелка - маленький постоянный магнит, который при крайнем внутреннем положении головок притягивается к поверхности статора и фиксирует коромысло в этом положении. Это так называемое парковочное положение головок, которые при этом лежат на поверхности диска, соприкасаясь с нею. В посадочной зоне дисков информация не записывается, поэтому прямой контакт с нею не опасен. Практически все современные жесткие диски выпускаются по технологии, использующей магниторезистивный эффект. Благодаря этому в последний год емкость дисков растет быстрыми темпами за счет повышения плотности записи информации.

Принцип работы накопителя на жестких магнитных дисках напоминает принцип действия обычного магнитофона, с той лишь разницей, что вместо магнитной ленты используются поверхности дисков, а вместо звуковых сигналов он записывает и воспроизводит цифровые. Любой НЖМД состоит из двух основных частей: гермоблока и контроллера. Гермоблоком, служит корпусом для размещения всех механических частей НЖМД Контроллер представляет собой плату электроники накопителя на жестких магнитных дисках и размещается за пределами гермоблока, как правило, в ее нижней части. В некоторых накопителях на жестких магнитных дисках, например, в известной серии Seagate Barracuda, контроллер закрыт дополнительной металлической крышкой, защищающей электронику от повреждений, а заодно служащей радиатором для отвода тепла от микросхем. Основу всей конструкции составляет прочный герметичный корпус, предохраняющий точную внутреннюю механику от внешних воздействий. Внутри корпуса размещается собственно диск или набор из нескольких дисков, вращаемый электродвигателем; магнитные головки с механизмом их перемещения, а также предварительный усилитель сигнала. Корпус заполнен очищенным от пыли воздухом. Для выравнивания давления внутри и снаружи корпус снабжен фильтром или имеет отверстия, заклеенные пленкой, хотя иногда встречаются и полностью герметичные накопители на жестких магнитных дисках. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует внутри корпуса и постоянно очищается еще одним, внутренним фильтром от пыли, сумевшей каким-то образом попасть внутрь. Современные накопители на жестких магнитных дисках устроены очень сложно. До 90% стоимости составляет прецизионная механика. Рассмотрим более подробно каждую ее часть. Магнитный диск представляет собой круглую пластину из алюминия, поверхность, которой обработана по высочайшему классу точности. В быту такой полировки не встретишь. Чтобы придать пластинам магнитные свойства, их поверхность покрывают сплавом на основе хрома или вакуумном напыляемым слоем кобальта. Такое покрытие имеет высокую твердость, что хорошо, ведь совсем недавно диски были покрыты слоем мягкого лака на основе окиси железа, и он, в отличие от современных покрытий, легко повреждался.

Для вращения дисков применяется специальный электродвигатель, чем-то похожий на двигатель флоппи-дисковода: неподвижный якорь с обмотками и вращающийся постоянный магнит. Основное отличие его состоит в более высокой точности изготовления и наличии специальных подшипников, которые могут быть как обычными шариковыми, так и более совершенными- жидкостными используется специальное масло, поглощающее ударные нагрузки, что увеличивает долговечность двигателя. Жидкостные подшипники имеют более низкий уровень шума и почти не выделяют тепло во время работы. Кроме того, некоторые современные накопители на жестких магнитных дисках имеют двигатель, целиком погруженный в герметичный сосуд с маслом, что способствует эффективному отводу тепла от обмоток.

Магнитная головка также представляет собой сложную конструкцию, состоящую из десятков деталей. Эти детали настолько малы, что изготавливаются методом фотолитографии так же, как и современные микросхемы. Рабочая поверхность керамического корпуса головки отполирована с такой же высокой точностью, как и диск. Привод головок представляет собой плоскую катушку-соленоид из медной проволоки, помещенную между полюсами постоянного магнита и закрепленную на конце рычага, вращающегося на подшипнике. На другом его конце находится легкая стрелка с магнитными головками. Катушка способна перемещаться в магнитном поле под действием проходящего через нее тока, перемещая одновременно все головки в радиальном направлении. Чтобы катушка с головками не болталась из стороны в сторону в нерабочем состоянии, имеется магнитный фиксатор, удерживающий головки выключенного накопителя на жестких магнитных дисках на месте. В нерабочем состоянии накопителя головки находятся вблизи центра дисков, в «зоне парковки» и прижаты к сторонам пластин легкими пружинами. Но стоит дискам начать вращение - и поток воздуха приподнимает головки над поверхностью дисков, преодолевая усилие пружин.

Головки «всплывают» и с этого момента находятся над диском, совершенно не касаясь его. Толщина воздушной прослойки между диском и головкой у современных накопитель на жестких магнитных дисках - всего 0,1 мкм, что в 500 раз меньше толщины человеческого волоса. Так как механический контакт головки с диском отсутствует, износа дисков и головок не происходит. Как уже говорилось, внутри гермоблока также находится усилитель сигнала, помещенный поближе к головкам, чтобы уменьшить наводки от внешних помех. Он соединен с головками гибким ленточным кабелем. Таким же кабелем подводиться питание к подвижной катушке привода головок, а иногда и к двигателю. Через небольшой разъем все это хозяйство соединено с платой контроллера.