Устройство и принципы работы жесткого диска
НЖМД или накопитель информации на жестких магнитных дисках (английское называние НDD – Hard Disk Drive), на жаргоне называемый «винчестер», можно условно разделить на две части: герметичный блок и плату электроники. В герметичном блоке размещены все механические части жесткого диска. Он заполнен самым обычным воздухом под атмосферным давлением, но очищенным от пыли.
Механическая часть винчестера состоит из одного или нескольких магнитных дисков (пластин), которые жестко закреплены на шпинделе двигателя, а так же системы позиционирования магнитных головок. Сами головки находятся над каждой из сторон магнитного диска и осуществляют чтение/запись данных с поверхности пластин, которые вращаются с огромными скоростями: до 15 000 оборотов в минуту. Головки, закрепленные на специальных держателях, перемещаются от центра диска к краю. Точное позиционирование магнитных головок осуществляет система позиционирования в соответствии с записанной на диске сервоинформацией. Считывая эти данные, система позиционирования определяет силу тока, которую необходимо пропустить через катушку электромагнита, чтобы удержать магнитную головку над нужной дорожкой.
В момент подключения питания процессор жесткого диска производит тестирование электроники и только после этого даёт команду на включение шпиндельного двигателя. После того, как скорость вращения пластин достигает некого предельного значения, плотность воздуха, увлекаемого поверхностью пластин, становится достаточной для того, чтобы преодолеть силу, прижимающую головки к поверхности и поднять их на высоту около микрона над поверхностями пластин. Начиная с этого момента и до снижения скорости ниже предельной, головки как бы «парят» на воздушной подушке и не касаются поверхности пластин.
После того, как диски достигают скорость вращения, близкую к номинальной, головки выводятся из зоны парковки, где находятся всё нерабочее время. Начинается поиск сервометок для более точной стабилизации скорости вращения, после чего происходит считывание микрокода и прочей служебной информации. На последнем этапе инициализации выполняется тестирование системы позиционирования. В процессе тестирования происходит перебор определенной последовательности дорожек, и если тест проходит успешно, жесткий диск готов к работе. Чтобы повысить надежность хранения данных, микропрограмма жестких дисков отслеживает технологические параметры (SMART) и, в случае необходимости, уведомляет пользователя о возможных неполадках.
Микропрограмма жесткого диска (Firmware или служебная информация)
Микропрограмма (firmware) контроллера частично хранится в микросхеме, частично — на самих магнитных дисках. Для этого ей отведена специальная служебная область, недоступная для пользователей. После того, как на жесткий диск подано рабочее напряжение или произошла активизация сигнала «сброс» на информационной шине, микропроцессор запускает/перезапускает программу, записанную в микросхеме. Выполняется самодиагностика, тестируется оперативная память, программируются микросхемы, находящиеся на внутренней шине жесткого диска, и если отсутствует аварийная ситуация, запускается двигатель. Следующим шагом измеряется период следования импульсов фазных обмоток и происходит ожидание того момента, когда двигатель наберёт номинальную скорость вращения. После этого контроллер посылает команду на перемещение магнитных головок к дорожке, содержащей основную часть микропрограммы, и начинает считывать серворазметку, чтобы окончательно стабилизировать скорость вращения. По завершению считывания микропрограммы и её выполнения, жесткий диск готов принимать сигналы от внешнего интерфейса компьютера.
Надежность жестких дисков и их производительность зависит от внутреннего программного обеспечения (его эффективности и качества), выполняющегося на микропроцессоре накопителя. Некоторые производители в течение всего времени, пока выпускается определенная модель, дорабатывают микропрограмму, улучшая её функциональные параметры. Как правило, серьезных ошибок, которые способны нарушить нормальную работу жесткого диска, в микропрограммах попросту не может быть. А вот любой сбой в процессе обновления, очень даже может привести к выходу накопителя из строя. После обновления микрокода не нужно ждать каких-либо заметных изменений или улучшений в работе жесткого диска. А о появлении неких дополнительных функций или заметном увеличении производительности винчестера можно даже и не мечтать. Дело том, что подобные обновления предназначены исключительно для увеличения надежности работы устройств.
Гермоблок жесткого диска
Большую часть конструкции жесткого диска занимает цельный металлический корпус, предохраняющий магнитные пластины и точную механику от воздействий окружающей среды. Называние гермоблока говорит само за себя: это герметичная область, которая защищает жесткий диск от пыли и прочих мелких частиц. Гермоблок необходим, так как любая, даже очень мелкая частица, если она попадет в узкий зазор между головкой и поверхностью диска, может повредить чувствительный магнитный слой и привести жесткий диск в негодность. Так же корпус защищает накопитель от электромагнитных помех, т.е. играет роль экрана. Внутренне пространство гермоблока заполнено простым, но полностью очищенным от пыли воздухом. Его не задувают туда специально, просто сборка осуществляется в таком помещении, где на один кубический метр воздуха приходится меньше ста пылинок. Однако, не смотря на называние, гермоблок не совсем герметичен. Для выравнивания его внутреннего давления с атмосферным, в корпусе делается отверстие, которое закрыто плотным фильтром, чтобы предотвратить попадание пыли. В процессе работы, пластины вращаются, создавая циркулирующий поток воздуха. Этот поток проходит сквозь еще один фильтр, который производит дополнительную очистку.
Магнитная пластина жесткого диска
Магнитная пластина в большинстве случаев представляет собой диск из легких сплавов на основе алюминия. Есть модели, в которых пластины изготовлены из керамики или специального стекла, но они крайне редки. На поверхность пластин, в независимости от их состава, для придания магнитных свойств, наносится слой кобальта. Технология вакуумного напыления магнитного слоя диска аналогична технологии используемой при производстве интегральных микросхем. Структура магнитного покрытия такова, что она представляет собой большое количество микроскопических областей, называемых доменами. В процессе записи, магнитная головка создаёт внешнее магнитное поле, которое, воздействуя на домен, меняет вектор его намагниченности. После того, как внешнее поле исчезает, на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Именно по такому принципу и осуществляется запись и хранение информации на магнитных дисках. Процесс считывания происходит следующим образом: в магнитной головке, когда она оказывается напротив участка остаточной намагниченности, наводится электродвижущая сила, которая и позволяет считать информацию. Количество пластин в жестком диске может быть различным. Количество рабочих поверхностей, соответственно, в два раза, так как у каждой пластины две рабочих стороны.
Стоит обязательно сказать о небольшой путанице в объемах жестких дисков. Дело в том, что производители и продавцы жестких дисков считают, что в одном гигабайте содержится 1 000 000 000 байт, а не 1 073 741 824 как это принято в информатике. Эта хитрость позволила «увеличить» номинальную ёмкость накопителей на целых 7 %.
Возникновение нечитаемых секторов (бэд блоков) на поверхности жесткого диска
Раньше контроль качества магнитной поверхности жестких дисков выполняла операционная система. Если она обнаруживала дефектный сектор, то сразу отмечала весь кластер, состоящий из нескольких секторов, как непригодный, и больше его в работе не использовала. После появления технологии SMART эту работу стали выполнять сами производители жестких дисков.
SMART функционирует следующим образом. Со временем, в процессе эксплуатации жесткого диска магнитная поверхность может размагничиваться, а значит, терять способность хранить информацию. К таким же последствиям приводит и механическое повреждение. Если был обнаружен новый сбойный сектор, электроника жесткого диска отмечает его в SMART и подменяет в трансляторе непосредственное физическое расположение сектора на новое, расположенное в заранее зарезервированной для подобных случаев области. А логический адрес, по которому система обращается за данными, останется прежним. Этот метод устранения дефектов имеет два названия: «метод замещения» (ReAssign) и «перестройка карты секторов» (ReMap).
Высокая температура вызывает «старение» магнитного напыления и способствует его спонтанному саморазмагничиванию. Вторая причина возникновения сбойных секторов — механическое повреждение магнитной поверхности. Поверхность пластин может быть повреждена мельчайшими частичками, которые проникли в гермоблок или же образовались при контакте магнитных головок с магнитной поверхностью пластин. Самое «страшное», что может случиться, это ударный контакт головки с магнитной поверхностью вращающихся пластин. Такое чаще всего случается из-за неаккуратного обращения с накопителем. В этом случае выбитая частица, сама будет намагниченной, а значит, чтобы сбросить её с поверхности диска и уловить фильтром, потребуется больше времени, а это сильно увеличивает шанс повторного столкновения с магнитной головкой. А ведь линейная скорость вращения пластин больше 100 км/ч! После отскока, частица летит в центр вращения, а это ещё больше увеличивает риск новых столкновений. Так как скорость выбитой частицы большая, то ударяя по поверхности пластины, оно может выбить новую частицу. Такой процесс может стать лавинообразным, что неизбежно приведет к появлению множества сбойных секторов, прочитать информацию с которых будет невозможно, даже при использовании технологии автоматической коррекции.
Функция самодиагностики (при периодическом запуске) позволяет обнаруживать и исправлять дефекты магнитной поверхности (уже имеющиеся и только намечающиеся) до того, как информация окончательно станет недоступной для чтения. Данные перемещаются в более надежное место на диске, а также производится повторное намагничивание поверхности диска идентичной информацией, что уменьшает эффект спонтанного саморазмагничивания. Проверка атрибутов SMART на предмет появления новых сбойных секторов может автоматически проходить одни раз в минуту. Такая периодическая проверка позволяет вовремя сделать резервную копию важной информации, что гораздо эффективнее, чем потом утраченную информацию восстанавливать.
Магнитная головка жесткого диска
Магнитная головка устроена довольно сложно. Это устройство, имеющее в своём составе множество деталей, причем детали эти так малы, что изготавливаются с помощью метода фотолитографии, так же как и микросхемы. Степень точности полировки рабочей поверхности магнитной головки ничем не отличается от степени полировки поверхности магнитных пластин. Для разных моделей жестких дисков количество магнитных головок может быть разным. Обычно оно указывается производителем в технической документации и бывает от 1 до 8. Установка, а также удержание головки на магнитной дорожке обеспечивает электромагнитная система позиционирования.
Для осуществления записи данных используется индуктивная головка. Записываемая информация преобразуется головкой в переменное магнитное поле. Этим полем намагничивается участок магнитного диска. Недостатком индуктивной головки является то, что она не подходит для чтения информации. Дело в том, что амплитуда считываемого сигнала сильно зависит от скорости перемещения магнитного покрытия, а так же присутствует высокий уровень шумов, который сильно затрудняет распознавание слабых сигналов. По этой причине, для чтения информации применяются магниторезистивные головки MRH (Magneto-Resistive) или GMR (GiantMagneto-Resistive). Подобные головки представляют собой резистор, изменяющий своё сопротивление в зависимости от напряженности магнитного поля. Главное преимущество состоит в том, что амплитуда практически не зависит от скорости изменения магнитного поля. Использование магниторезистивных головок позволяет увеличить надежность считывания информации, а также увеличить предельную плотность записи.
До момента «взлета» на воздушной подушке, головки трутся о поверхность пластин в специально отведенном участке диска, называемом «парковочная зона». В процессе работы магнитные головки находятся на расстоянии в доли микрона от поверхности магнитных пластин. После выключения питания контроллер жесткого диска производит автоматическую парковку головок, т.е. перемещение их в парковочную зону, которая не используется для записи информации. В ней головки опускаются на поверхность магнитных дисков и находятся там всё нерабочее время.
Двигатель жесткого диска
Стабильное вращение пластин смонтированных на оси (шпинделе) обеспечивает шпиндельный трехфазный двигатель. Внутри двигателя содержатся три обмотки, которые включены звездой с отводом посередине. Ротор представляет собой постоянный секционный магнит. Чтобы обеспечить малые биения на высоких оборотах, используются гидродинамические подшипники.
Шпиндельный двигатель запускается только после полной внутренней диагностики жесткого диска. Сначала двигатель раскручивается в форсированном режиме, не анализируя скорость вращения магнитных дисков. Для обеспечения этого этапа работы, блок питания компьютера должен иметь запас пиковой мощности. После того, как магнитные головки выводятся из зоны парковки, скорость вращения дисков становится контролируемой. Она управляется сигналом серворазметки, которая была записана на диск в процессе его изготовления. Электроника жесткого диска выделяет сервометки (они находятся между секторами) из общего потока данных и по ним стабилизирует скорость вращения пластин.
По сути, скорость вращения пластин является одной из самых важных характеристик производительности жесткого диска. Чем выше скорость, тем меньше время, необходимое для поиска информации, и тем больше скорость чтения и записи информации. В современных жестких дисках скорость вращения пластин в накопителях с интерфейсами PATA и SATA составляет от 4200 до 10000 оборотов в минуту. В дорогих серверных системах с интерфейсом SCSI, она может достигать 15000 оборотов в минуту. Однако дальнейшее увеличение скоростей вращения ограничивается тем, что повышается рабочая температура дисков, а это негативно сказывается на магнитном слое. Также для более скоростных моделей нужны более качественные подшипники, а их изготовление увеличивает конечную стоимость жестких дисков. Для накопителей со скоростью вращения пластин 7200 оборотов в минуту и выше уже требуются компьютерные корпуса с продуманной конструкцией пассивного охлаждения или же использования дополнительной системы активного охлаждения жестких дисков.
Полезные ссылки