DAAD.org.ua
Зміст
HDD, Жорсткий диск, Вінчестер &8212; все це назви одного добре відомого пристрою зберігання даних. У цьому матеріалі ми розповімо вам про технічну основу таких накопичувачів, про те, яким чином на них може зберігатися інформація, і про інші технічні нюанси і принципи функціонування.
Пристрій жорсткого диска
Виходячи з повної назви даного запам'ятовуючого пристрою &8212; накопичувач на жорстких магнітних дисках (НЖМД) &8212; можна без особливих зусиль зрозуміти, що лежить в основі його роботи. Завдяки своїй дешевизні і довговічності ці носії інформації встановлюють в різні комп'ютери: ПК, ноутбуки, сервери, планшети і т.д. відмінною рисою HDD є можливість зберігати величезні обсяги даних, володіючи при цьому зовсім невеликими габаритами. Нижче ми розповімо про його внутрішній устрій, принципи роботи та інші особливості. Приступимо!
Гермоблок і плата електроніки
Зелена склотканина і доріжки з міді на ній, разом з роз'ємами для підключення блоку живлення і гніздом ЅАТА називаються платою управління (Printed Circuit Board, PCB). Дана інтегральна схема служить для синхронізації роботи диска з ПК і керівництвом всіх процесів всередині HDD. Корпус з алюмінію чорного кольору і те, що всередині нього, називається герметичним блоком (Head and Disk Assembly, HDA).
У центрі інтегральної схеми розташований чіп великого розміру &8212; це Мікроконтролер (Micro Controller Unit, MCU). У сьогоднішніх HDD мікропроцесор містить в собі два компоненти: Центральний обчислювальний блок (Central Processor Unit, CPU), який займається всіма розрахунками, і канал читання та запису &8212; спеціальний пристрій, що переводить аналоговий сигнал з головки в дискретний, коли вона зайнята читанням і навпаки &8212; Цифровий в Аналоговий під час запису. Мікропроцесор має порти вводу / виводу , за допомогою яких він управляє іншими елементами, розташованими на платі, і здійснює обмін інформацією через SATA-підключення.
Інший чіп, розташований на схемі, є DDR SDRAM пам'яттю (memory chip). Її кількість зумовлює обсяг кеша вінчестера. Даний чіп розділений на пам'ять прошивки, частково міститься у флеш-накопичувачі, і буферну, необхідну процесору для того, щоб завантажувати модулі прошивки.
Третій чіп називається контролером управління двигуном і головками (Voice Coil Motor controller, VCM controller). Він управляє додатковими джерелами електроживлення, які розташовані на платі. Від них отримують харчування мікропроцесор і передпідсилювач-комутатор (preamplifier), що міститься в герметичному блоці. Цей контролер вимагає більше енергії, ніж інші компоненти на платі, так як відповідає за обертання шпинделя і рух головок. Ядро передпідсилювача-комутатора здатне працювати, будучи нагрітим до 100° C! Коли на НЖМД подається живлення, Мікроконтролер вивантажує вміст флеш-мікросхеми в пам'ять і починає виконання закладених в неї інструкцій. Якщо коду не вдасться належним чином завантажитися, то HDD не зможе навіть почати розкрутку. Також флеш-пам'ять може бути вбудована в мікроконтролер, а не міститися на платі.
Розташований на схемі датчик вібрації (shock sensor) визначає рівень тряски. Якщо він вважатиме її інтенсивність небезпечною, то буде посланий сигнал контролеру управління двигуном і головками, після чого він негайно паркує головки або зовсім зупиняє обертання HDD. В теорії, даний механізм покликаний забезпечувати захист HDD від різних механічних пошкоджень, правда, на практиці у нього це не сильно виходить. Тому не варто упускати жорсткий диск, адже це здатне спричинити за собою неадекватну роботу вібродатчика, що може стати причиною повної непрацездатності пристрою. Деякі НЖМД володіють надчутливими до вібрації датчиками, які реагують на найменше її прояв. Дані, які отримує VCM, допомагають в коригуванні руху головок, тому диски обладнуються як мінімум двома такими датчиками.
Ще один пристрій, створений для захисту HDD & 8212; обмежувач перехідної напруги (Transient Voltage Suppression, TVS), покликаний запобігати можливий вихід з ладу в разі стрибків напруги. На одній схемі таких обмежувачів може бути кілька.
Поверхня гермоблока
Під інтегральною платою розташовуються контакти від моторів і головок. Тут же можна побачити майже невидиме технічне отвір (breath hole), яке вирівнює тиск всередині і зовні герметичній зони блоку, що руйнує міф про те, що всередині вінчестера знаходиться вакуум. Внутрішня його область покрита спеціальним фільтром, який не пропускає пил і вологу безпосередньо в HDD.
Нутрощі гермоблока
Під кришкою герметичного блоку, що представляє собою звичайний пласт металу і гумову прокладку, яка захищає його від попадання вологи і пилу, знаходяться магнітні диски.
Їх також можна назвати млинцями або пластинами (platters). Диски зазвичай створюються зі скла або алюмінію, який був попередньо відполірований. Потім вони покриваються декількома шарами різних речовин, в числі яких присутній і феромагнетик &8212; завдяки йому і є можливість записувати і зберігати інформацію на жорсткому диску. Між пластинами і над самим верхнім млинцем розташовуються роздільники (dampers or separators). Вони вирівнюють потоки повітря і знижують акустичні шуми. Зазвичай виготовляються з пластику або алюмінію.
Сепараторні пластини, які були виготовлені з алюмінію, краще справляються зі зниженням температури повітря всередині герметичний зони.
Блок магнітних головок
На кінцях кронштейнів, що знаходяться в блоці магнітних головок (Head Stack Assembly, HSA), розташовані головки читання/запису. Коли шпиндель зупинений, вони повинні знаходитися в препаровочной області &8212; це місце, де розташовуються головки справного жорсткого диска в той час, коли вал не працює. У деяких HDD парковка відбувається на пластикових препаровочних областях, які розташовані поза пластин.
Для нормальної роботи жорсткого диска потрібно якомога чистіше повітря, що містить мінімум сторонніх частинок. Згодом в Накопичувачі утворюються мікрочастинки мастила і металу. Щоб їх виводити, HDD обладнуються циркуляційними фільтрами (recirculation filter), які постійно збирають і затримують дуже маленькі частинки речовин. Вони встановлюються на шляху повітряних потоків, які утворюються через обертання пластин.
В НЖМД встановлюють неодимові магніти, здатні притягувати і утримувати вагу, який може більше власного в 1300 разів. Призначення цих магнітів в HDD & 8212; обмеження руху головок шляхом утримання їх над пластиковими або алюмінієвими млинцями.
Ще однією частиною блоку магнітних головок є котушка (voice coil). Разом з магнітами вона утворює привід БМГ , який разом з БМГ становить позиціонер (actuator) &8212; пристрій, що переміщує головки. Захисний механізм для цього пристрою називається фіксатором (actuator latch). Він звільняє БМГ, як тільки шпиндель набере достатню кількість обертів. У процесі звільнення бере участь тиск потоку повітря. Фіксатор запобігає будь-які рухи головок в препаровочном стані.
Під БМГ буде знаходитися прецизійний підшипник. Він підтримує плавність і точність даного блоку. Тут же знаходиться виконана з алюмінієвого сплаву деталь, яка називається коромислом (arm). На її кінці, на пружинної підвісці, розташовані головки. Від коромисла йде гнучкий кабель (Flexible Printed Circuit, FPC), що веде в контактну площадку, яка з'єднується з платою електроніки.
Ось так виглядає котушка, яка з'єднана з кабелем:
Тут можна побачити підшипник:
Ось тут зображені контакти БМГ:
Прокладка (gasket) допомагає забезпечити герметичність зчеплення. Завдяки цьому в блок з дисками і головками повітря потрапляє тільки через отвір, яке вирівнює тиск. Контакти даного диска покриті найтоншої позолотою, що покращує провідність.
Типова збірка кронштейна:
На закінченнях пружинних підвісів знаходяться малогабаритні деталі & 8212; Слайдери (sliders). Вони допомагають зчитувати і записувати дані, піднімаючи головку над пластинами. У сучасних накопичувачах головки працюють, розташовуючись на відстані 5-10 нм від поверхні металевих млинців. Елементи зчитування і запису інформації розташовані на самих кінцях слайдерів. Вони настільки малі, що побачити їх можна тільки скориставшись мікроскопом.
Ці деталі не є абсолютно плоскими, так як мають на собі аеродинамічні канавки, службовці для стабілізації висоти польоту слайдера. Повітря під ним створює подушку (Air Bearing Surface, ABS), яка підтримує паралельний поверхні пластини політ.
Передпідсилювач &8212; чіп, відповідальний за управління головками та посилення сигналу до них або від них. Розташований він безпосередньо в БМГ, тому як сигнал, який виробляють головки, володіє недостатньою потужністю (близько 1 ГГц). Без підсилювача в герметичній зоні він би просто розсіявся по шляху до інтегральної схеми.
Від цього пристрою в сторону головок йде більше доріжок, ніж до герметичній зоні. Пояснюється це тим, що жорсткий диск може взаємодіяти тільки з однією з них в певний момент часу. Мікропроцесор відправляє запити предусилителю, щоб він вибрав потрібну йому головку. Від диска до кожної з них йде по кілька доріжок. Вони відповідають за заземлення, читання і запис, управління мініатюрними приводами, роботу зі спеціальним магнітним обладнанням, яке може управляти слайдером, що дозволяє збільшити точність розташування головок. Одна з них повинна вести до нагрівача, який регулює висоту їх польоту. Працює ця конструкція так: з нагрівача тепло передається підвісці, яка з'єднує слайдер і коромисло. Підвіс створюється зі сплавів, які мають відмінні параметри Розширення від надходить тепла. При підвищенні температури він згинається в бік пластини, тим самим зменшуючи відстань від неї до головки. При зменшенні кількості тепла, відбувається зворотна дія & 8212; головка віддаляється від млинця.
Ось таким чином виглядає верхній роздільник:
На цій фотографії знаходиться герметична зона без блоку головок і верхнього сепаратора. Також можна помітити нижній магніт і притискне кільце (platters clamp):
Дане кільце стримує блоки млинців разом, запобігаючи всяке їх рух відносно один одного:
Самі пластини нанизані на вал (spindle hub):
І ось що знаходиться під верхньою пластиною:
Як можна зрозуміти, місце для головок створюється за допомогою спеціальних розділових кілець (spacer rings). Це високоточні деталі, які виробляються з немагнітних сплавів або полімерів:
На дні гермоблока знаходиться простір для вирівнювання тиску, розташоване прямо під повітряним фільтром. Повітря, який знаходиться поза герметичного блоку, безумовно, містить в собі частинки пилу. Для вирішення даної проблеми, встановлюється багатошаровий фільтр, який набагато товщі того ж циркулярного. Іноді на ньому можна виявити сліди силікатного гелю, який повинен абсорбувати в себе всю вологу:
Висновок
У цій статті було наведено докладний опис нутрощів HDD. Сподіваємося, цей матеріал був вам цікавий і допоміг дізнатися багато нового зі сфери комп'ютерного обладнання.
