Фізичні основи роботи комп’ютера (стр. 9 из 21)
Не дивлячись на революційність винаходу, розлучатися з перфокартами і магнітними стрічками публіка не поспішала. Вартість і громіздкість (як два великі холодильники) жорсткого диска були основними перешкодами. І, хоча попит на нову систему відразу ж з'явився (у банків, космічних агентств і авіакомпаній), вартість оренди 1 Мбайт була неприйнятною [5].
Розроблений RAMAC 350 Disk File був у Сан-Хосе, штат Каліфорнія. У 1953 році дослідницьку групу, яка працювала над створенням жорсткого диска, очолив старший інженер IBM Л’юіс Стівенс. Як частенько це бувало в період розвитку комп'ютерної індустрії, фінансувався проект з перебоями. Треба віддати ученим належне – перший в світі жорсткий диск був створений виключно на ентузіазмі.
Рисунок 2.14 – Перший в світі жорсткий диск; вартість оренди 3200 доларів в місяць
Це цікаво: достовірно невідомо, як і чому до жорстких дисків міцно пристала розмовна назва «вінчестер». За однією з версій, слово запропонував один із співробітників IBM – Кенет Хоутон. Річ у тому, що в 1973 році в продаж поступив двомодульний жорсткий диск (рис. 2.15), який працівники IBM між собою називали модель «30-30», що означало два модулі по 30 Мбайт. У цей же час на прилавки поступила гвинтівка «30-30». За іншою версією, назва пішла від одного з дослідницьких центрів IBM, розташованого в місті Вінчестері, у Великобританії. До речі, на Заході слово «вінчестер» вийшло з ужитку ще на початку дев'яностих, але в СНД прижилося і еволюціонувало до скороченого «винт» [5].
Рисунок 2.15 – Вінчестер IBM 3380. Поступив у продаж в жовтні 1981 року за 142000$. Ємність – 2,52 Гбайт, швидкість передачі даних 3 Мбайти/с
З часом швидкість обертання шпінделя зростала, підвищувалася точність позиціонування зчитуючої головки, додавалася «розумна» електроніка. Але основний принцип устрою жорстких дисків практично не змінився.
Жорсткий диск – це гранично точна електронно-механічна система. Всередині розташований шпіндель – це вісь, на яку жорстко нанизуються круглі пластини. Чим швидше маленький двигун шпінделя розкручує пластини, тим, в більшості випадків, жвавіше працює вінчестер. Для сучасних дисків характерні швидкості 5400 або 7200 обертів за хвилину. Шпінделі HDD для серверів і робочих станцій працюють швидше – на 10 і навіть 15 тисячах об/хв.
Як тільки вмикається комп'ютер, двигун починає розкручувати диски. Спочатку ненадовго активується форсований режим – вінчестер споживає максимум енергії, набираючи «крейсерську» швидкість. Працювати доводиться надзвичайно багато, без щонайменших відхилень, тому ресурс у механіки жорсткого диска величезний.
Пластин може бути декілька, а може бути всього одна: у більшості сучасних вінчестерів їх від однієї до п'яти. Виготовляються пластини з металу, покритого феромагнітним шаром завтовшки близько 10 мікрон. Раніше для цих цілей використовувався оксид заліза, сьогодні найчастіше кобальт. Всього в пластині чотири шари: перший – основа (залізо або кераміка), другий – магнітний (служить для запису інформації), третій – захисний (оберігає від розмагнічування), ну, і четвертий – особливе мастило, яке відповідає за відведення тепла і захист від корозії. Товщина захисного шару – 5 нм, а мастила – близько 2 нм.
До уваги: 1 нанометр (нм) – це одна тисячна мікрона, або ж
метра.Інформація на пластини записується у вигляді намагнічених концентричних ділянок – доріжок. Оксид заліза, або будь-яке інше феромагнітне покриття, складається з ділянок, в кожному з яких вектора магнітних моментів диполів направлені в один бік. Візуально це можна уявити як велику кількість стрілок, напрямлених строго уперед або назад. Кожна стрілка – це біт інформації, одиниця або нуль.
Зчитуюча головка диска – непростий елемент. Спеціальний моторчик (привод головки) регулює положення головки над доріжкою диска з точністю до пари мікрон. За відсутності струму головка «спить» в особливій паркувальній зоні пластини – поряд з віссю. Звичайно, в цій ділянці “млинця” інформація не записується.
Як тільки шпіндель починає розкручувати диски, створюється потік повітря, яке тисне на аеродинамічну конструкцію – важіль головки. В результаті важіль головки, форма якого нагадує крило літака, в буквальному розумінні злітає. Зчитування даних відбувається на відстані декількох мікрон від поверхні, щонайменше торкання пластини викликає непоправну втрату даних і псування самої головки. Тому шпінделю і доводиться весь час обертатися.
Максимально наблизити головку до зчитуючої поверхні не так давно вдалося інженерам компанії Fujitsu, які розробили спеціальний змащувальний шар. Теоретична відстань між головкою і пластиною зменшилася до 8 нм. Чим ближче головка до пластини, тим меншого розміру магнітні ділянки можна використовувати. Отже, на одну концентричну доріжку поміститься більше біт інформації [5].
Якщо в жорсткому диску декілька «млинців», над кожним ширятиме власна головка. Всі головки переміщаються одночасно, і це не дивно, адже пластини нанизані на єдиний привод. Переміщатися головка в процесі зчитування може тільки горизонтально, по дузі.
У одному дюймі пластини знаходиться близько восьми тисяч доріжок. Для наведення головки на доріжку в даний час використовується акустичний мотор. Він складається з двох потужних магнітів і дротяної котушки. Конструкція нагадує звичайний динамік – звідси і назва «Акустичний мотор».
Котушка під дією струму створює електромагнітне поле, унаслідок чого починає зміщуватися у бік магнітів. Упевнитися, наскільки точно встановилася головка над пластиною, вінчестер може за допомогою зворотного зв'язку. Прочитуючи спеціальні службові мітки, записані на “млинці” в заводських умовах, привод головки повідомляє електроніку вінчестера про своє місцезнаходження. У разі потреби головка робить ще одну спробу добратися до мети. І тут дуже важливий параметр часу пошуку (seek time) – час, за який привод виводить головку на доріжку.
Для зчитування інформації досить часто використовуються індуктивні тонкоплівкові головки. Принцип дії схожий з магнітною головкою касетного магнітофона. Головка вінчестера проходить над «стрілками», які своїм магнітним полем генерують в обмотці головки електричний струм. Сигнал, що поступив, посилюється, пропускається через фільтри і потім розшифровується електронною «начинкою» вінчестера.
Сьогодні створюються якісніші головки. Один з нових типів активно застосовує компанія Seagate. Це магніто-резистивні головки, які використовують фізичний ефект, відкритий лордом Уїльямом Кельвіном в 1857 році. А саме, що магнітне поле міняє опір металевого провідника. Коли магніторезистивна головка потрапляє в магнітне поле, сила струму в ланцюзі змінюється, що і дозволяє відрізнити «одиницю» від «нуля». Зчитаний таким чином біт інформації тут же потрапляє в електронну схему. Основна перевага нового типу головок – можливість щільніше записувати інформацію, тому що роздільна здатність магніторезистивних головок вища, ніж у індуктивних. Крім того, електричний сигнал магніторезистивних головок чистий і практично не потребує додаткової фільтрації. Нарешті, нові головки не чутливі до швидкості обертання пластин, тоді як точність зчитування в індуктивних елементах залежить від швидкості проходження головки над поверхнею пластини.
Єдиний гнучкий елемент всієї конструкції жорсткого диска – це провідник, який пов'язує важіль головки з електронікою. Важіль весь час перебуває в русі, кидається від однієї доріжки до іншої, тому дріт повинен бути міцним, але таким, що не сковує рухи важеля [5].
2.4.3 Електроніка HDD
Як відомо, розбирати вінчестери зазвичай строго не рекомендується. Адже відстань між головкою (рис. 2.16) і пластиною – декілька мікрон, і достатньо всього однієї порошинки, щоб зіпсувати складне устаткування. А відновлення розгерметизованого жорсткого диска коштує у декілька разів дорожче, ніж покупка нового, і навіть сервісні центри зазвичай обмежуються тільки порятунком інформації.
Рисунок 2.16 – Головка яка зчитує: розміри передньої частини головки, яка зчитує – 0,3×1 мм. У центрі – нанесена літографією мідна котушка, яка використовується для запису даних. Пластини з боків виготовлені із золота
Електроніка вінчестера представлена на печатній платі (текстоліті) з нижнього боку пристрою. Тут знаходиться справжнісінький мініатюрний комп'ютер: центральний процесор, пам'ять і цифровий сигнальний процесор (Digital Signal Processor), що відповідає за сигнали читання/запису. Працює вінчестер під управлінням власної програми, записаної в мікросхему ПЗП або в службові ділянки жорсткого диска.
Спочатку запитані комп'ютером дані прочитуються з пластини, потім поступають в кеш-пам'ять і тільки потім прямують в ОЗП комп'ютера. На швидкодію вінчестера впливає швидкість обертання шпінделя, процесор і об'єм пам'яті. Бувають екзотичні випадки, коли жорсткі диски з 5400 об/хв працюють швидше, ніж моделі з 7200 об/хв, але це скоріше виключення з правил.
Об'єм буфера коливається в межах від 2 до 16 Мбайт. Чим більше пам'яті, тим більше даних головка може зчитати на випередження [5].
2.4.4 Різноманітність видівHDD
Вінчестери можна класифікувати за шириною. Форм-фактор 3,5 дюйма – стандарт для настільних систем. Жорсткі диски цього типу мають найбільшу продуктивність і місткість.
2,5-дюймові моделі традиційно застосовуються в ноутбуках, автомобільних ПК і різній побутовій техніці. Радіус «млинців» там менше, відповідно, і інформації міститься менше. Що ж до швидкості обертання шпінделя, вона тільки недавно наблизилася до швидкостей настільних моделей і складає 7200 об/хв. Місткість – до 500 Гбайт.