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

75612. КЛЮЧЕВЫЕ ОПЕРАЦИИ ЦОС 191 KB
  Применяется для вычисления выходного сигнала yt линейной системы по заданному входному xt и известному импульсному отклику ht рис. Линейными называются системы для которых справедлив принцип суперпозиции отклик на сумму входных сигналов равен сумме откликов на эти сигналы по отдельности и принцип однородности изменение амплитуды входного сигнала вызывает пропорциональное изменение амплитуды выходного сигнала. Для реальных систем объектов свойство линейности может выполняться приближенно В системах цифровой обработки...
75613. ПРОГРАММИРОВАНИЕ КЛЮЧЕВЫХ ОПЕРАЦИЙ ЦОС В MATLAB 51.5 KB
  Основные арифметические операции в MATLAB: сложение, вычитание, умножение , деление и возведение в степень. Операции умножения, деления и возведения в степень рассчитаны на работу с матрицами, поэтому при поэлементных операциях они записываются
75614. Цифровая фильтрация 152 KB
  согласованные фильтры; фильтры для борьбы с шумами при нелинейных и нестационарных процессах фильтр ГильбертаХуанга Выбор способа борьбы с шумами должен производится с учетом свойств и особенностей информативного сигнала и помехи. Чем в большей степени свойства сигнала и шума априори известны тем может быть получен больший эффект от цифровой обработки. Кроме того несмотря на обилие стандартных доведенных до уровня готовых программ цифровой обработки с учетом конкретных априори известных свойствах информативного сигнала и шума может...
75615. ОПТИМАЛЬНАЯ И СОГЛАСОВАННАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ 170.5 KB
  Оптимальная фильтрация Оптимальное выделение сигнала из шума можно проводить различными методами в зависимости от того какая задача ставится: обнаружение сигнала сохранение формы сигнала и т. В каждом методе оптимальной фильтрации вводится понятие критерия оптимальности согласно которому строится оптимальный алгоритм обработки сигнала. Оптимальный фильтр КолмогороваВинера Фильтры низкой частоты высокой частоты и полосовые фильтры эффективны в том случае когда частотные спектры сигнала и шума не...
75616. ПРИМЕНЕНИЕ ЦОС ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОРОТКИХ СИГНАЛОВ. ОКОННАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ 233.5 KB
  В том случае если анализируется одночастотный сигнал и он занимает все временное окно массив частотного спектра содержит только один ненулевой элемент номер которого равен количеству периодов сигнала во временном окне. Если же сигнал занимает не все временное окно а его часть то частотный спектр будет растекаться т. Для упрощения записи формулы приводятся в аналитической а не в дискретной форме с временным окном...
75617. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОЧАСТИЦ КОБАЛЬТА В СТРУКТУРЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТРИЦ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО ТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА 7.57 MB
  Влияние концентрации исходного раствора хлорида кобальта при имплантации ионов кобальта в полимерную матрицу на основе политетрафторэтилена на размер получаемых наночастиц кобальта; влияние концентрации исходного раствора хлорида кобальта при имплантации ионов кобальта в полимерную матрицу на основе политетрафторэтилена на глубину проникновения наночастиц кобальта;
75618. ИЗМЕНЧИВОСТЬ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ В ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ СМОРОДИНЫ 291.5 KB
  Листья растений смородины Биберштейна значительно крупнее листьев смородины альпийской. У смородины Биберштейна среднее значение листа по признаку «длинна главной жилки» составляет – 5,2 см, а у смородины альпийской – 2,21 см.
75619. ИЗМЕНЕНИЕ БИОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРИ ВИРУСНЫХ ГЕПАТИТАХ 275.5 KB
  Клинические проявления хронического вирусного гепатита в типичных случаях выражены слабо, малоспецифичны и в следствие этого нередко остаются незамеченными. Наиболее главным симптомам является пожелтение кожи, то есть желтушное окрашивание кожи и склер, заметив которое, больные обычно и идут на прием к врачу.
75620. Евразийский Союз как политический проект: анализ эффективности PR-стратегий 376 KB
  Информационное сопровождение политического проекта Евразийского Союза: основные риски и стратегия. Предмет исследования составляют коммуникационные стратегии применяющиеся при реализации политического проекта Евразийского Союза. Цель исследования – проанализировать эффективность PRстратегий применяющихся при реализации политического проекта Евразийского Союза. Достижение поставленной цели осуществляется путем решения следующих исследовательских задач: опередить понятие и основные этапы политического проектирования; выявить специфику...