21726

Накопители на жестких магнитных дисках

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

1 БУСД блок управления 3х фазным синхронным двигателем шпинделя; И инвертор; СД синхронный двигатель; БП блок питания; ВК внутренний контроллер БУП блок управления позиционированием головки; ОЗУ оперативное запоминающее устройство ВК; см сервометка; ДПГ датчик позиционирования головки. Кроме того он дает разрешение на выпуск головки при достижении минимальной скорости вращения. Для записи и считывания используются магнитные головки представляющие собой катушки индуктивности которые выполняются по тонкопленочной технологии....

Русский

2013-08-03

116 KB

23 чел.

Лекция 10. Накопители на жестких магнитных дисках

Вопросы:

  1.  Конструкция накопителя на жестких магнитных дисках (НЖМД).
  2.  Основные характеристики винчестеров.
  3.  Особенности функционирования винчестеров

Литература: 1. Гук. М. Аппаратные средства IBM PC. Питер, 2005, с. 370-391.

  1.  Конструкция накопителя на жестких магнитных дисках (НЖМД).

Функциональная схема накопителя на жестких магнитных дисках приведена на рис 10.1., где обозначено:

                          БУСД                И                 +12В

      БП

          ВК

    Рис 10.1

БУСД – блок управления 3-х фазным синхронным двигателем шпинделя;

И –инвертор;

СД – синхронный  двигатель;

БП - блок питания;

ВК – внутренний контроллер

БУП – блок управления позиционированием головки;

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство ВК;

см – сервометка;

ДПГ – датчик позиционирования головки.

1.1. Характеристика элементов системы

Для привода шпинделя системы используются трехфазные синхронные двигатели СД, обеспечивающие высокую точность поддержания скорости:

от 3500 об\мин до 7200 об\мин, 10000 и 15000 об\мин.

Чем выше скорость вращения , тем больше скорость обмена информацией с диском. Однако большие скорости вращения ограничены следующим:

- балансировкой диска;

-гироскопическим эффектом, влияющим на трудность перемещения вращающегося диска;

- тепловыделением;

- аэродинамикой диска, связанной с трением его о воздух.

Пластины жестких дисков обычно изготавливаются из алюминиевых сплавов, а иногда из керамики или стекла, которые покрываются рабочим магнитным слоем, выполненным из окиси железа или окиси хрома. Поверхности пластин должны быть максимально плоскими для снижения аэродинамического эффекта. Количество пластин современных винчестеров достигает от 1 до 4.Емкость одной пластины формата 3.5” достигает 20 Гбайт. БУСД предназначен для пуска , остановки шпинделя поддержание требуемой скорости вращения по сигналам от датчиков сервометок.  Кроме того он дает разрешение на выпуск головки при достижении минимальной скорости вращения.

Для записи и считывания используются магнитные головки, представляющие собой катушки индуктивности, которые выполняются по тонкопленочной технологии. Головки поддерживаются на микроскопическом расстоянии от поверхности вращающегося диска аэродинамической подъемной силой этого диска, поэтому очень важна форма головки, которая используют форму крыла. Современные накопители для считывания используют магниторезистивные головки, основанные на эффекте анизотропии сопротивления полупроводников в магнитном поле, заключающей в том, что падение напряжения на магниторезистивном датчике есть величина, зависящая от намагниченности поверхности, находящейся над этим датчиком (т.е. головкой считывания), рис. 10.2.

  Рис. 10.2

 При Н=0 u = 0 и наоборот.

Таким образом, сигнал с магниторезистивной головки повторяет форму записанного сигнала и не является его производной.

А для записи используют индуктивную головку. При этом от каждой комбинированной головки отходит 2 пары проводов:

одна  - для записи;

другая – для считывания.

Для позиционирования головок на требуемый цилиндр в настоящее время используется бок управления позиционированием (БУП), состоящим из линейного или поворотного электромагнита, перемещение которого определяется величиной тока в его катушке. Такое управление позволяет быстро переводить головку в любое требуемое положение. Привод, обладающей обратной связью о положении головки называется сервоприводом. Управление таким приводом может быть оптимизировано: при большом угле подвода головки на позицию управлять большим током, а при малом угле управления – малым током в обмотке управления. При этом обратная связь о положении головки получается от сервометок (см), размещенных прямо на диске. В этом случае любые температурные изменения перестают влиять на точность системы позиционирования головки. Сервометки записываются в областях, расположенных между треками при сборке накопителя на специальном точном оборудовании. В процессе эксплуатации сервометки только считываются. А при выполнении операций записи и форматирования диска, сигнал записи на время прохождения должен блокироваться. Если это не произойдет, дорожка станет сбойной.

Блок электроники, в качестве внутреннего контроллера (ВК) обеспечивает не только управление приводом головки, но и управляет записью и считывание информации. При этом на интерфейсной стороне контроллера идет обмен данными с ПК , а на другой стороне контроллера, связанной с гермоблоком осуществляется  процесс записи- считывания информации. Внутреннее ОЗУ контроллера, является буферной памятью и используется для считывания и записи секторов  накопителя. Объем этого ОЗУ может достигать  до единиц мегабайт. Для кодирования данных в совремнных накопителях широко используется технология PRML (Partial Response Maximum Likelihood – Максимальная правдоподобность при частичном отклике) Эта технология использует аналоговые детекторы сигналов воспроизведения , которые декодируются схемами считывания. При считывании производится оцифровка аналогового сигнала и запись последовательности этих выборок в память буфера. Следующий этап считывания обеспечивает цифровую фильтрацию записанного сигнала. Принятые фрагменты трактуются  как группы закодированных битов по максимальной похожести формы отклика.

Время, затраченное на обмен данными одного сектора, tc равно:

  tc= tц+tо+tДн-к+tДк-п,

где обозначено:

tц – время поиска цилиндра;

tо – время ожидание подхода сектора к головке;

tДн-к – время обмена данными между накопителем и контроллером;

tДк-п - время обмена данными между контроллером и памятью ПК.

Для записи и считывания информации в контроллере существует специальная схема , которая при считывании информации:

выделяет служебные области;

находит тре5буемые секторы;

проверяет целостность данных;

преобразует поток битов в байты и записывает их в буферную память.

при записи:

формирует поток сигналов для требуемого поля данных (сектора);

преобразует байты данных в поток битов;

вычисляет контрольные суммы последовательных битов.

При форматировании формирует указанную структуру трека.

  1.  Основные характеристики винчестеров.

2.1. Общие параметры дисков

Форматированная емкость – объем полезной хранимой информации, что соответствует сумме полей данных всех доступных секторов.

Неформатированная емкость – максимальное количество битов, записываемых на  всех треках диска, включая и служебную информацию (заголовки секторов, контрольные коды полей данных и т.д.). Стандартный размера сектора составляет 512 байт.

Скорость вращения шпинделя -  измеряется в об/мин и имеет стандартные значения 4500, 5400 и 7200. Для дисков повышенной производительности достигает 10000 и 15000 об/мин.

Интерфейс – определяет способ подключения накопителя. Для встроенного накопителя применяют интерфейсы АТА, IDE, SCSI. Для внешних накопителей – USB, Fire Wire, LPT-порт.

  1.  Параметры внутренней  организации.

Количество физических дисков – современные накопители имеют до 1-2 дисков, большее количество дисков и, соответственно, большая высота накопителя характерна для накопителей большой скорости.

Количество физических головок чтения-записи – совпадает с числом рабочих поверхностей (числом дисков). Может быть и меньше удвоенного числа дисков.

Физическое количество цилиндров – от 100 до10000 современных дисков.

Размер сектора – 512 байт

Количество зон и секторов на треке – в крайних зонах.

Расположение сервометок – на выделенной поверхности, на рабочей поверхности, гибридное.

Метод кодирования - PRML (Partial Response Maximum Likelihood – Максимальная правдоподобность при частичном отклике) наиболее прогрессивный.

  1.  Быстродействии и производительность.

Время перехода на соседний трек – 0,5 -2 мс, характеризует быстродействие системы.

Среднее время поиска – 8-10 мс ( 4-5 мс  для быстрых систем) определяется по средней величине обращения к случайным цилиндрам.

Максимальное время поиска – определяется самым дальним переходом между крайними цилиндрами. Равно удвоенному среднему времени поиска.

Внутренняя скорость передачи данных – Мб/сек, относится к передаче данных между носителем и буферной памятью контроллера. Для накопителей со скоростью вращения 15000 об\мин скорость передачи составляет  5400 бит/сек. При этом учитывается только скорость передачи полезной информации и составляет :

 При скорости 5400 об\мин – 15 Мбайт/сек

При скорости 7200 об\мин – 15-35 Мбайт/сек.

Внешняя скорость передачи данных – измеряется в Кбайт/сек (Мбайт /сек) полезной информации и зависит от быстродействия контроллера. Она находится в пределах 3,3 Мбайт/сек, 33,66 Мбайт /сек, 100 – 200 Мбайт/сек, для оптического канала передачи.

  1.  Надежность и достоверность хранения данных.

Ожидаемое время до отказа – 100 – 1000 часов является среднестатистическим показателем для изделия.

Гарантийный срок – период времени, в течении которого поставщик обеспечивает ремонт или замену отказавшего устройства.

Вероятность неисправимых ошибок чтения - определяется 1 ошибкой на 1014 считанных битов.

Вероятность исправимых ошибок чтения - определяется 1 ошибкой на 1011 считанных битов.

Вероятность ошибок поиска - определяется 1 ошибкой на 108 операций поиска.

Уровень акустического шума  - определяется звуковой мощность, излучаемой винчестером и находится в пределах до 30 дБ.

3. Особенности функционирования винчестеров

3.1. Основной алгоритм работы контроллера винчестера

      Подача питания     

    Самотестирование

   Запуск и управление

   шпиндельным двигателем

                        nном-нет

                                             Контроль               nном -есть

                                         оборотов nном

                                   вывод головки и

                                 включение ее управления

                           Загрузка информации со

                            служебных треков:

  -таблица трансляции секторов;

  - списки дефектных блоков;

  - паспорт диска;

  - часть программ контроллера

  Настройка гермоблока:

  -определение списка рабочих головок;

  - определение числа цилиндров;

  - определение число секторов в

треках каждой зоны

                           Завершение настройки,

                           готовность к приему

                           команд компьютера

3.2. Низкоуровневое  форматирование

Перед получением команд компьютера контроллером винчестера предполагается выполнение форматирования диска на нижнем уровне, которое включает в себя:

Формирование заголовков и пустых полей данных всех секторов и

треков. При этом выполняется проверка читаемости каждого сектора и при обнаружении неисправимых ошибок в заголовке сектора делается пометка о его дефектности. На современных дисках данное форматирование выполняется в специальном технологическом режиме: для этого могут использоваться нестандартные команды с помощью специальных перемычек. Низко уровневое форматирование не затрагивает сервоинформацию, записываемую на диск только в заводских условиях.

3.3. Форматирование верхнего уровня.

Данное форматирование заключается в формирование логической структуры диска: формирование таблиц размещения файлов, корневого каталога и т.д. в соответствии с файловой системой применяемой в ОС.

3.4. Контроль работоспособности винчестера

Кроме выполнения команд компьютера, контроллер винчестера постоянно контролирует его работоспособность и качеству выполнения задач. Выполнение задач всегда связано с появлением ошибок, причины которых различные: дефект поверхности носителя, нежелательное перемагничивание участка, неточность позиционирования головки и т.д. Независимо от причин все ошибки должны быть выявлены и устранены. Для контроля достоверности хранении я информации применяется SCR – код, позволяющий фиксировать ошибки некоторой кратности, а для исправления ошибок применяют ЕСС – код.  Если контроллеру не удается никак прочитать записанные данные в сектор, то этот сектор должен быть исключен из дальнейшего использования и применен резервный сектор. Резервные секторы обычно находятся в конце каждого физического трека.  При большом количестве дефектных блоков на треке происходит переназначение всего трека на резервную область, которая находится на внутренних цилиндрах. При использовании всех резервных треков появляется сигнал, требующий замену накопителя или его переформатирование с потерей емкости памяти. Списки дефектных блоков (треков) хранятся в двух таблицах:

 P-list – постоянная таблица, сформированная при выпуске винчестера;

 G-list- таблица, формируемая во время его эксплуатации.

Эти таблицы доступны при использовании специальных утилитов.

А) Надежность считывания

В большой степени зависит от точности позиционирования головок относительно продольной оси трека, рис. 10.2

  Рис.10.2

Причиной коррекция положения головки является рабочая температура. Во время эксплуатации контроллер создает карту температур для цилиндров и головок, которую со временем корректирует.  

Б) Свипирование – асинхронный запуск контроллера при длительном отсутствии обращения к нему случайным образом перемещает головку в новое положение, что обеспечивают равномерный износ поверхности диска.

Г). Контроль предсказуемых отказов. Обеспечивается программой технологии SMART (Self Monitoring Analysis and Reporting Technology – Техника самонаблюдения , анализа и сообщения), которая следит за параметрами винчестера и периодически представляет информацию компьютеру. Критические значения параметров фиксируются в во внутренних журналах, расположенных в секторах служебных областей диска.  Внезапные отказы связаны с разрушением электронных схем или механическими повреждениями. За превышение температуры следят специальные датчики температуры, расположенные в устройстве, считывание с которых может программироваться.

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

44833. UN fordert besseren Schutz vor Gefahren aus dem All 25.5 KB
  Аuch die Bevölkerung müss besser informiert werden. Dies ist die grobe Grenze b der mn im Flle eines Einschlgs mit weltweiten Konsequenzen rechnen muss. Die Wissenschftler wollen nun ein llgemeines Netzwerk und verschiedene interntionle Expertengruppen etblieren die im Flle verschiedener Szenrios ktiv werden können. Wenn es dnn eine Bedrohung gibt muss mn nur die Schublde öffnen und ht die richtige Mission prt sgte der Vorsitzende des UNktionstems für kosmische Objekte Sergio Cmcho.
44834. Виды строительной продукции и их характеристики 25.13 KB
  Строительная продукция вводимые в действие и принятые в установленном порядке новые реконструированные или капитальноотремонтированные здания и сооружения с завершенными в них работами по монтажу и испытанию оборудованию.Предупредительный текущий ремонт систематически проводимые работы по предупреждению износа и устранение мелких неисправностей. В их состав включаются затраты на строительномонтажные работы приобретение оборудования инвентаря прочие капитальные работы и затраты. Капитальные вложения состоят из следующих основных...
44835. Растворы 25.67 KB
  Определение концентрации кислоты методом титрования Перед началом титрования бюретку сполосните раствором щелочи выданным для работы. Для этого в пипетку с помощью груши наберите 10мл приготовленного раствора кислоты. Каждый раз перед титрованием новой пробы кислоты подливайте щелочь в бюретку до нулевой отметки или до того уровня с которого начали титровать в первом опыте. Результаты опыта занесите в таблицу 1 Рассчитайте нормальную концентрацию раствора кислоты используя закон эквивалентов: вещества взаимодействуют друг с другом в...
44836. История культурного развития средневековой Западной Европы 16.91 KB
  После сдачи экзамена ученик становился подмастерьем после того как находились деньги на открытие своей школы он получал статус мастера. Лишь к концу XV века церковь осознала это принялась открывать духовные семинарии и школыи т. Монастырские школы были начальными средними и высшими осуществляли воспитание феодалов....
44837. Основные принципы государственной политики в области обращения с отходами 26 KB
  Отходы производства и потребления далее отходы остатки сырья материалов полуфабрикатов иных изделий или продуктов которые образовались в процессе производства или потребления а также товары продукция утратившие свои потребительские свойства. Отходы в зависимости от степени негативного воздействия на окружающую среду подразделяются в соответствии с критериями установленными федеральным органом исполнительной власти осуществляющим государственное регулирование в области охраны окружающей среды на пять классов...
44838. Государственный экологический надзор. Производственный и общественный экологический контроль 36.5 KB
  Объекты хозяйственной и иной деятельности независимо от формы собственности находящиеся в ведении Российской Федерации: а объекты относящиеся к федеральным энергетическим системам ядерной энергетике федеральным транспорту путям сообщения информации и связи; б объекты связанные с обеспечением обороны и безопасности относящиеся к оборонному производству производству ядовитых веществ и наркотических средств; в объекты расположенные на землях находящихся в федеральной собственности в том числе землях лесного фонда Российской...
44839. Требования в области охраны окружающей среды при осуществлении хозяйственной и иной деятельности 28.5 KB
  Общие требования в области охраны окружающей среды при размещении проектировании строительстве реконструкции вводе в эксплуатацию эксплуатации консервации и ликвидации зданий строений сооружений и иных объектов содержатся в ст. 34 Федерального закона Об охране окружающей среды . Размещение проектирование строительство реконструкция ввод в эксплуатацию эксплуатация консервация и ликвидация зданий строений сооружений и иных объектов оказывающих прямое или косвенное негативное воздействие на окружающую среду осуществляются в...
44840. Техногенные аварии и катастрофы 24.58 KB
  Техногенные системы и их воздействие на природу и человека Техногенные аварии и катастрофы Аварийные и катастрофические ситуации в техногенной сфере на потенциально опасных объектах можно объединить по следующим типам: режимные возникают при штатном функционировании потенциально опасных объектов последствия от них предсказуемые защищённость от них высокая; проектные возникают при выходе за пределы штатных режимов с предсказуемыми и приемлемыми последствиями защищённость от них достаточная; запроектные возникают при...