Накопитель на жестких магнитных дисках

Накопитель на жестких магнитных дисках хранит всю необходимую для работы компьютера и прикладных программ информацию, с него загружается в оперативную память компьютера его операционная система.

В основе функционирования винчестера лежит принцип магнитной записи (считывания) сигналов на вращающийся диск, покрытый магниточувствительным рабочим слоем. Каждая сторона диска, покрытая рабочим слоем, называется рабочей поверхностью.

При записи цифровые данные преобразуются в аналоговые электрические сигналы, создающие с помощью головки записи участки с различной намагниченностью, расположенные вдоль окружности по всей рабочей поверхности вращающегося диска (так называемые треки или дорожки). Размеры участков и расстояние между соседними дорожками определяют поверхностную плотность записи данных.

При чтении участки диска движутся под магнитной головкой и индуцируют в ней электрические сигналы, которые преобразуются в цифровые данные.

Рис 1. Устройство жесткого диска

Типичный современный накопитель на жестких дисках состоит из блока (пакета) дисков, шпиндельного двигателя привода вращения дисков, блока головок записи/чтения, предусилителя-коммутатора головок и контроллера (печатной платы с электронными схемами управления).

В нерабочем состоянии головка прижимается поводком к поверхности диска в специальной нерабочей зоне, называемой зоной парковки. Первые модели винчестеров требовали выполнения специальной операции парковки головок, инициируемой программным обеспечением.

В современных винчестерах операция вывода головок в зону парковки выполняется автоматически при снижении скорости вращения двигателя ниже номинальной или при пропадании напряжения питания, а вывод головок в рабочую зону разрешается только после достижения номинальной скорости вращения дисков. Зазор между головкой и поверхностью диска в современных винчестерах составляет несколько сотых долей микрометра.

В большой степени максимальная плотность записи зависит от конструкции и характеристик головок записи/чтения. Раньше в винчестерах использовались магнитные головки, представляющие собой миниатюрные катушки индуктивности, намотанные на магнитный сердечник.

Рис. 2. Внешний вид блока головок

Позднее стали использовать тонкопленочные магнитные головки, а в современных винчестерах используются высокочувствительные магниторезистивные головки чтения (принцип их работы основан на эффекте анизотропии некоторых полупроводниковых материалов в магнитном поле), конструктивно объединенные с тонкопленочными головками записи. Головки собираются в блок.

В современных винчестерах используется система позиционирования блока головок с поворотной подвижной катушкой, помещенной в зазоре мощного постоянного магнита, которая и является исполнительным элементом системы позиционирования.

В основе этой системы лежит предварительная (произведенная при изготовлении винчестера) запись специальных цифровых последовательностей, которые называются сервометками, в специально отведенные для этого на каждой дорожке сектора. Во время работы контроллер винчестера ориентируется на эти сервометки, вырабатывая управляющие сигналы, подаваемые в подвижную катушку, и поворачивает головку таким образом, чтобы она установилась точно над дорожкой, а затем удерживает ее на этой дорожке до поступления команды о переводе головки в новое положение.

Не менее 16% суммарной рабочей поверхности дисков отводится под служебную информацию, которая обеспечивает нормальную работу винчестера. В первую очередь это инженерная зона (секторы конфигурации, таблицы дефектов, рабочие программы винчестера).

Оставшееся дисковое пространство делится на зоны (для большинства винчестеров – от 8 до 20) с различным числом секторов в каждой зоне. Не все секторы используются в качестве рабочих. Часть секторов являются запасными. При первоначальной разметке дисков на заводе-изготовителе производится проверка поверхности диска и информация об обнаруженных дефектных участках записывается в таблицу дефектов, которая размещается в инженерной зоне.

В процессе функционирования винчестера эта таблица используется для переназначения (переадресации) обращения к дефектным участкам (секторам) на обращение к хорошим секторам, которые как раз и размещаются на запасных дорожках. Ввиду важности служебной информации инженерная зона различных моделей накопителей может содержать от 2 до 6 копий, а сервометки прописываются с запасом по количеству и более сильным магнитным полем.

В процессе эксплуатации происходит постепенное разрушение магнитной поверхности диска, начинают появляться новые сбойные секторы, что приводит к так называемому вырождению магнитной среды. О неполадках такого рода свидетельствуют периодически возникающие ошибки чтения/записи.

Износ или повреждение подшипников шпиндельного двигателя приводит к тому, что пластины начинают слегка покачиваться. Это вызывает попеременное увеличение/уменьшение расстояния между головками и поверхностями дисков, что является причиной роста числа «мягких» ошибок и увеличения вероятности падения головок на поверхности дисков.

Если двигатель винчестера начал шуметь или прослушиваются периодические удары механизма позиционирования головок об ограничители – значит, довольно скоро можно ожидать лавинообразных отказов в работе винчестера.

Нередко причиной выхода винчестеров из строя является нарушение их температурного режима работы. Скорость вращения пакетов дисков достигает 15 000 об/мин, а для улучшения динамических характеристик применяются достаточно мощные шпиндельные двигатели и приводы позиционирования, которые выделяют значительное количество тепла. Кроме того, тепло выделяет опорный подшипник.

Головки «летят» над диском на высоте всего лишь 0,1...0,12 мкм. Любой удар может сократить это расстояние до нуля? Дорожка движется под магнитной головкой со скоростью 90...125 км/час, 1 мм дорожки – это около 2 Кб данных.
Даже если повреждение невелико, выбитые при ударе частицы магнитной среды еще долго будут летать внутри корпуса диска, создавая опасность новой аварии, причем большая часть мелких частиц вообще не улетает с диска, оставаясь «примагниченной» к его поверхности и приводя к дальнейшему разрушению рабочей поверхности.

Кроме того, при соприкосновении головки с поверхностью диска происходит мгновенный перегрев головки. Совместно с радиальным механическим воздействием на головку это, как правило, приводит к обрыву головки.

В большинстве современных винчестеров реализована технология самотестирования SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology). Ее суть заключается в том, что винчестер самостоятельно диагностирует свое состояние, заранее предупреждая о предаварийном состоянии. Большинство SMART HDD контролируют от 3 до 30 атрибутов надежности, например, количество позиционирований головок, высоту их полета над поверхностью диска, число переназначений сбойных секторов, число ошибок позиционирования и т.п.