Конструкция жёсткого диска

СОДЕРЖАНИЕ

Введение              5

1. Основная часть              8

     1.1 История развития              8

     1.2  Конструкция жесткого диска              10

     1.2.1Структура модульная схема НЖМД                     11

     1.2.2Контроллер              14

            1.4.1 Гермозона              14

            1.4.2 Блок электроники              16

     1.5 Геометрия магнитного диска              17

     1.6 Классификация              18

2. Охрана труда              21

3. Практическая часть              23

Заключение              30

Список использованной литературы              31

Введение.
Жесткие диски стали внешними относительно недавно. Порядка десяти лет существуют жесткие диски в виде внешних устройств для хранения данных. Первые устройства не пользовались каким-либо спросом, поэтому до регионов нашей страны практически не доезжали. Это было связано с использованием достаточно медленного порта передачи данных, - параллельного интерфейса, который ко всему прочему не поддерживал режим работы Plug&Play. Первые подобные устройства имели достаточно "страшный" вид и были громоздкими, так как производители старались использовать в их основе более дешевые 3,5 дюймовые винчестеры. Не все устройства стабильно работали со всеми видами оборудования, многое зависело от "добротности" поставляемого вместе с устройством драйвера.
На сегодняшний день внешние жесткие диски являются массовым продуктом, который имеется практически у каждого пользователя. Внешние жесткие диски используются как для хранения ценных данных, так и для переноски информации между компьютерами. Глобальное распространение USB портов в автомагнитолах, портативных плеерах, мультимедиа станциях значительно расширило сферы применения внешних жестких дисков.
Современные внешние жесткие диски чаще всего базируются на 2,5 дюймовых устройствах, имеют различные вариации контроллеров с поддержкой одного USB 2.0 порта или с поддержкой современных портов e-SATA/USB 3.0. Каждый пользователь сам может решить, какой набор портов ему необходим в каждом конкретном случае. Наибольшей популярностью пользуются устройства с USB 2.0 портом. Ранее нами было протестирован внешний жесткий диск WD My Book с поддержкой USB 3.0 порта. Данное устройство не претендовало на звание мобильного устройства и больше соответствовало понятию внешний настольный продукт.

В сегодняшнем обзоре вашему вниманию будет представлен внешний жесткий диск Western Digital My Passport Essential 500 GB, который имеет контроллер USB 2.0 порта, который имеется практически у каждого компьютера выпущенного в последнее десятилетие.
Компания Western Digital имеет солидный опыт по выпуску внешних жестких дисков. История выпуска внешних жестких дисков My Passport идет практически с момента создания мобильных винчестеров Western Digital Scorpio. Под пластиковыми корпусами первых моделей скрывались винчестеры с IDE интерфейсов, которые на сегодняшний день является устаревшим и изжившими себя решениями, поэтому все новые устройства комплектуются винчестерами 2,5 Western Digital Scorpio с SATA интерфейсом. Под пластиковым корпусом современных внешних жестких дисков скрывается либо IDE(PATA)-USB 2.0, либо SATA-USB 2.0 контроллер, который является мостом между двумя данными стандартами передачи данных.
Вместе с ростом объема мобильных винчестеров растет и объем внешних жестких дисков My Passport. Первые внешние жесткие диски имели максимальный объем в 80 Гб, а уже в сегодняшнем нашем обзоре участвует устройство объемом в 500 Гб. Максимальный объем устройств данной серии WD составляет 640 Гб, - это та цифра, о которой в сегменте внешних 2,5 дюймовых накопителей пару лет назад мы не могли и мечтать.

История развития жесткого диска тесно связана с деятельностью нескольких крупнейших производителей. История эта довольно таки увлекательная

Итак ,13 сентября 1956 известный флагман компьютерной промышленности Intel устроил презентацию своего детища, а именно первого накопителя на магнитных дисках. Вскоре новое устройство стало называться как «винчестер».Это «стреляющее» название пошло опять таки от Intel. В 1973 году фирма выпускает жесткий диск под маркировкой 3340.Примечательно устройство тем, что считывающее устройство и сами магнитные диски объединены в одном герметичном блоке .Устройство носило кодовое название «30-30»В обиходе до этого времени крепко закрепилось оружие «Winchester 30-30» ,отсюда и пошло название «Винчестер» или просто «Винт».

Конечно же ,первый жесткий диск существенно отличался от нынешних. Это был шкаф, внутри которого умещались 50 магнитных пластинок диаметром около 60(!) см.Диск назывался RAMAC (Random Access Method  of  Accounting  and Control) и разрабатывался в лаборатории Intel а в Силиконовой долине. Пластины были смонтированы на вращающемся шпинделе, а механический кронштейн содержал головки чтения и записи и перемещался вверх-вниз на вертикальном стержне, причем время доставки головки до нужной магнитной дорожки составляло менее одной секунды. Емкость данного чуда техники составляло немного ни мало … 5 Мб. Грех было бы не упомянуть и вес:975 кг.

IBM на месте конечно же не стоял и в июне 1973 представил взору общественности модель 3340.Высота его уже равнялось одному метру. Тут уже головка буквально парила над поверхностью дисков благодаря аэродинамическому эффекту. Далее этот принцип записи и считывания лег в основу всех современных hdd. Имелось два отсека с дисками по 30 Мб. В одном отсеке дисковое устройство лежало намертво, а в другом была предусмотрена возможность смены накопителя. Время доступа к данным равнялось 25 миллисекунд.

В 1979 году эта же компания ввела в обращение новую технологию изготовления головок записи/считывания Между тем первенство Intel не длилось вечно, ведь конкуренты тоже не спят. Компания Hitachi в 1982 году выпускает винчестер объемом 1 гигабайт, тем самым опередив конкурентов на голову и начинает новую историю развития жесткого диска. Устройство состояло из десяти магнитных дисков по 14 дюймов каждая. Работал диск на 87 процентов быстрее всех существовавших на то время hdd.

Сюрпризы Hitachi на этом не закончились: в 1985 году была выпущена модель H-6586 объемом 1,9 Гб и главное ,весом 80 кг.

В начале 80-х IBM выпускает hdd диаметром диска 5,25 дюймов и эти винтами начиняют первые IBM PC. Формат 3,5 дюймов реализовали в Conner  Peripherals и этот диаметр надолго закрепился в индустрии.

В 1997 году IBM на дисках Deskstar 16GP использует магнитные головки на гигантском магниторезистивном эффекте ( GMR heads),что позволяет увеличить плотность записи. В 1999 году эта же фирма шокирует мировую общественность винчестером Microdrive диаметром в 1 дюйм, объемом 137 Мб.

В 2006 году была внедрена революционная технология перпендикулярной записи. Магнитные домены ориентированы не вдоль, а поперек тонкой магнитной пленки на поверхности пластины. Hitachi GST продемонстрировала перпендикулярную магнитную запись еще в апреле 2005 года на образцах с плотностью записи 233 Гбит на кв. дюйм. Поперечная ориентация магнитных доменов в тонкой пленке (хотя и несколько более толстой, чем для аналогичных моделей с продольной записью) существенно увеличивает стабильность хранения информации, что необходимо для преодоления последствий так называемого супер парамагнитного  эффекта. В этом же году появились диски использующие комбинацию «hdd+flash» .

История развития жесткого диска взяла еще один исторический рубеж , Hitachi в 2007-ом.Это выпуск винчестера с приставкой «Тера»,то есть 1 Терабайт. К этому шли многие производители и ближе всех стояли именно Hitachi и Seagate.  Seagate сделал ответный ход в 2008-ом выпуском hdd с емкостью 1,5 Тб. И производители жестких дисков продолжают свою острейшую борьбу.

Конструкция жёсткого диска

Структурная модульная схема НЖМД

Жёсткий диск состоит из двух основных частей: гермоблока и контроллера.

Гермоблок и механика

Гермоблок — это герметичная камера (откуда и название), заполненная чистым, не содержащим пыли воздухом, и содержащая в себе пакет магнитных дисков и блок магнитных головок (БМГ).

Несмотря на герметичность, камера сообщается с окружающей средой через барометрический фильтр, обеспечивающий выравнивание давлений вне и внутри камеры. Барометрический фильтр выполнен так, чтобы не пропускать частицы пыли более определённого размера (~0,5 мкм). Выравнивание давлений исключает механические деформации корпуса. Также внутри находится рециркуляционный фильтр, обеспечивающий улавливание частиц, уже находящихся в камере, которые могут быть образованы внутри (в результате износа) или пропущены барометрическим фильтром. Он расположен на пути циркулирующего за счёт вращения дисков воздуха.

Магнитные диски состоят из основы, сделанной обычно из алюминия, реже из стекла или керамики и магнитного покрытия, в виде тонкой плёнки магнитотвёрдого материала (ферромагнетика), который служит собственно носителем информации. Магнитные диски собраны в пакет, находящийся на оси шпиндельного электродвигателя со стабильной скоростью вращения. Стабилизация вращения производится контроллером по сервометкам. (Ранее использовался отдельный датчик положения дисков). Обычно дисков в пакете не более трёх, запись может производиться как на одну, так и на обе стороны каждого диска, таким образом диск обычно содержит от 1 до 6 головок.

Блок магнитных головок перемещается вдоль поверхности диска от края к центру посредством сервопривода. На первых винчестерах сервопривод производился шаговым двигателем. Впоследствии стала применяться электромагнитная катушка (англ. сoil), подобная катушке магнито-электрического стрелочного прибора. Для управления головками в винчестере хранятся так называемые адаптивы — индивидуальные для каждого винчестера данные о физических характеристиках сервопривода головок — необходимые амплитуды и времена сигналов управления электромагнитом. Адаптивы обеспечивают быстрое и почти безошибочное позиционирование головки и уверенное удержание её на треке.

Сама головка — миниатюрная электромагнитная система, обеспечивающая локальное намагничивание поверхности диска и локальное измерение его намагниченности. Первые электромагнитные головки считывали информацию через наведённую ЭДС на катушке. Позднее появились магниторезистивные головки, использующие для считывания специальный магнито -чувствительный материал.

В выключенном положении головки лежат на дисках в специальной зоне парковки. Во избежание повреждений при транспортировке, головки в этом положении заблокированы, и не могут перемещаться до тех пор, пока диски не крутятся. При работе головки парят над поверхностью вращающихся дисков на расстоянии порядка от десятых долей до единиц микрометров. Таким образом поверхность дисков не изнашивается (как это происходит у дискет).

Внутри гермоблока вместе на блоке магнитных головок или рядом с ним расположен коммутатор, обеспечивающий переключение активных головок и предварительное усиление сигнала магнитного датчика. Если у жёсткого диска одна рабочая поверхность, то коммутатор выполняет только функции усилителя.

Контроллер

Контроллер представляет собой электронную схему, выполняющую функции управления органами гермоблока и преобразование информации, передаваемой между компьютером и головками. Конструктивно контроллер обычно выполнен в виде печатной платы, монтируемой на одной стороне гермоблока. На контроллере расположены узлы питания, управления шпиндельным двигателем, сервоприводом БМГ, чтения и записи информации на диски, обмена по внешнему интерфейсу, разъёмы интерфейса, питания, соединения с гермоблоком, а также технологические выводы и элементы конфигурации (джамперы).

Современный контроллер — встроенная микропроцессорная система, выполняющая зашитую микропрограмму. Основные узлы контроллера:

                   схема управления питанием;

                   модуль управления (микропроцессорный).

                   интерфейсный модуль;

                   канал чтения-записи;

                   контроллер БМГ;

                   контроллер шпиндельного двигателя;

Организация данных на дисках

Физический уровень

Иллюстрация параллельного метода магнитной записи

Информация на жёстких дисках закодирована на магнитном материале в виде магнитных доменов (микроскопических участков с направленным магнитным моментом) с различным направлением вектора намагниченности. Два направления вектора намагниченности представляют биты «0» и «1».

Традиционно, в жёстких дисках используется технология параллельной записи, когда намагниченность доменов лежит в плоскости поверхности диска. В 2005 году фирма Hitachi разработала технологию перпендикулярной записи — в этом случае домены намагничены перпендикулярно плоскости. Это позволило преодолеть ограничение, связанное с суперпарамагнитным эффектом — взаимодействием магнитных доменов. Первой моделью винчестера с перпендикулярной записью стала TravelStar 5K160, выпущенная с ёмкостями 40, 60, 80, 120 и 160 ГБ. [1]

Технология тепловой магнитной записи, разработанная компанией Seagate и представленная в 2006 году должна повысить плотность по сравнению с обычной технологией в 100 раз и обеспечить достижения отметки 7,75 Тбит/см2. Ключевым моментом технологии является локальное нагревание записываемого участка лазером, что должно уменьшить его коэрцитивную силу и обеспечить перемагничивание. Этот метод даёт возможность использовать менее подверженные суперпарамагнитному эффекту материалы. [2]

Пример серворазметки

На заводе-изготовителе на диск записываются сервометки, обеспечивающие синхронизацию вращения дисков, позиционирование головок на нужные треки. Сервометки на поверхности образуют области в виде радиальных лучей из центра диска, расположенные на равных угловых промежутках. Сервометки содержат синхронизационную последовательность, номер трека и дифференциальные метки. Синхронизационная последовательность обеспечивает стабильность вращения диска и точное определение моментов прохождения головкой различных областей на диске. По номеру трека обеспечивается позиционирование головок на нужный трек.