Касается ли магнитная головка записи чтения поверхности магнитного диска во время работы

Накопители на жёстких дисках

Принципы работы накопителей на жестких дисках

Подробности

Родительская категория: Накопители на жестких дисках

Категория: Принципы работы накопителей на жестких дисках

В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с концентрических окружностей вращающихся магнитных дисков (дорожек), разбитых на секторы емкостью 512 байт (см. рисунок).

В накопителях обычно устанавливается несколько дисковых пластин и данные записываются на обеих сторонах каждой из них. В большинстве накопителей есть по меньшей мере два или три диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах), но существуют также устройства, содержащие до 11 и более дисков. Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (см. рисунок ниже). Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или приводе. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга, т.е. двигаются только синхронно.

Жесткие диски вращаются намного быстрее, чем гибкие. Частота их вращения даже в большинстве первых моделей составляла 3600 об/мин (т.е. в 10 раз больше, чем в накопителе на гибких дисках) и до последнего времени была почти стандартом для жестких дисков. Но в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла. Несмотря на то что скорость вращения может изменяться, современные устройства раскручивают пластины до 4200, 5400, 7200, 10000 и даже 15000 об/мин. Некоторые диски малых формфакторов с целью экономии электроэнергии раскручиваются всего до 4200 об/мин, в то время как высокоскоростные можно встретить в основном в рабочих станциях и серверах, где повышенная цена, а также дополнительный шум и тепловыделение не играют решающей роли. Высокая скорость вращения в сочетании со скоростным механизмом подачи головок и большим количеством секторов на дорожке — вот главные факторы, определяющие общую производительность жесткого диска.

При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков. Но при выключении питания и остановке дисков они опускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка “столкнется” с диском, вращающимся “на полном ходу”. Если удар будет достаточно сильным, произойдет поломка головки. Последствия этого могут быть разными — от потери нескольких байтов данных до выхода из строя всего накопителя. Поэтому в большинстве накопителей поверхности магнитных дисков легируют и покрывают специальными смазками, что позволяет устройствам выдерживать ежедневные “взлеты” и “приземления” головок, а также более серьезные потрясения.

В некоторых современных накопителях вместо конструкции CSS (Contact Start Stop) используется механизм загрузки/разгрузки, который не позволяет головкам входить в контакт с жесткими дисками даже при отключении питания накопителя. Этот механизм впервые был использован в 2,5-дюймовых накопителях портативных компьютеров, для которых устойчивость к механическим воздействиям играет весьма важную роль. В механизме загрузки/разгрузки используется наклонная панель, расположенная непосредственно над внешней поверхностью жесткого диска. Когда накопитель выключен или находится в режиме экономии потребляемой мощности, головки съезжают на эту панель. При подаче электроэнергии головки разблокируются только тогда, когда скорость вращения жестких дисков достигнет нужной величины. Поток воздуха, создаваемый при вращении дисков (аэростатический подшипник), позволяет избежать возможного контакта между головкой и поверхностью жесткого диска.

Поскольку пакеты магнитных дисков содержатся в плотно закрытых корпусах и их ремонт не предусмотрен, плотность дорожек на них очень высока — до 96000 и более на дюйм (Hitachi Travelstar 80GH). Блоки HDA (Head Disk Assembly — блок головок и дисков) собирают в специальных цехах в условиях практически полной стерильности. Обслуживанием HDA занимаются считанные фирмы, поэтому ремонт или замена каких-либо деталей внутри герметичного блока HDA обходится очень дорого. Вам придется смириться с мыслью, что рано или поздно накопитель выйдет из строя, и вопрос только в том, когда это произойдет и успеете ли вы сохранить свои данные.

Внимание!

Вскрывать накопитель на жестких дисках в домашних условиях не рекомендуется. Некоторые производители накопителей конструктивно выполняют их таким образом, что при вскрытии обрывается защитная лента. Самостоятельно вскрыв накопитель, вы тем самым разрываете эту защитную ленту и лишаетесь гарантийных обязательств производителя.

Многие пользователи считают накопители на жестких дисках самыми хрупкими и ненадежными узлами компьютеров, и, вообще говоря, они правы. Однако во время проводимых мною семинаров по аппаратному обеспечению компьютеров и проблемам восстановления данных накопители практически постоянно работали со снятыми крышками. Иногда приходилось даже снимать и устанавливать на место крышки работающих накопителей, и несмотря на это они по сей день продолжают успешно работать и с крышками, и без них. Разумеется, я не советую вам делать то же самое со своими устройствами.

Накопитель на
жестком магнитном диске (НМД) имеет тот
же принцип действия, что и НГМД, но
отличается тем, что в нем магнит­ный
носитель информации является несъемным
и состоит из несколь­ких пластин,
закрепленных на общей оси (пакета
магнитных носите­лей).

Каждую рабочую
поверхность такой конструкции обслуживает
своя головка. Если в НГМД головка во
время работы соприкасается с поверхностью
дискеты, то в НМД головки во время работы
нахо­дятся на небольшом расстоянии
от поверхности (десятые доли микро­на).
При устранении контакта головки с
поверхностью диска появи­лась
возможность увеличить скорость вращения
дисков, а следова­тельно, повысить
быстродействие внешнего ЗУ.

Рис.
8.4. Пример размещения двух файлов: а
— в
FAT;
6
— в
корневом каталоге

Запись
и чтение информации на жестком магнитном
диске произ­водятся с помощью магнитных
головок, которые во время чтения-записи
неподвижны. Магнитное покрытие каждой
поверхности диска во время чтения-записи
перемещается относительно головки.
Магнитный «след» на поверхности диска,
образовавшийся при работе голов­ки
на запись, образует кольцевую траекторию
— дорожку
(trek).
До­рожки, расположенные друг под
другом на всех рабочих поверхнос­тях
магнитного носителя, называются
цилиндром.

В
жестких МД различных фирм используются
разные материалы для магнитного покрытия:
диски ранних конструкций имели оксидное
покрытие (окись железа), современные
диски
—
кобальтовое по­крытие. Оксидное
покрытие наносилось на поверхность
диска в виде магнитного лака, который
после высыхания образовывал довольно
толстый магнитный слой. Обеспечить
устойчивую запись в таком слое можно
было за счет длительного воздействия
электромагнитным по­лем. Поэтому
магнитные «следы» на поверхности диска
получались большого размера, что
приводило к невысокой плотности записи
и низкому быстродействию. Для увеличения
емкости магнитного дис­ка приходилось
увеличивать его размеры.

Кобальтовое
покрытие наносится на поверхность диска
мето­дом напыления. При этом образуется
тонкая магнитная пленка, на которую
легче воздействовать для образования
магнитных следов. Размеры магнитных
следов уменьшились, что позволило
увеличить продольную и поперечную
плотности записи. Увеличение продоль­ной
плотности записи позволило увеличить
емкость дорожки, а уве­личение
поперечной плотности записи — количество
дорожек на по­верхности диска. Диски
той же емкости уменьшились в раз­мерах.

Стандарт
на физическое размещение информации
на жестком маг­нитном диске мягче,
чем для НГМД, так как гибкие диски должны
читаться одинаково на дисководах разных
фирм, в то время как жес­ткий магнитный
диск имеет встроенную в него систему
управления. При работе с жестким магнитным
диском встроенная система управ­ления
решает вопросы физического размещения
информации и зачас­тую недоступна
для внешнего вмешательства. Например,
наружные
и внутренние дорожки магнитного диска
имеют разную длину. Если их сделать
одинаковой емкости и писать информацию
с одинаковой плотностью записи, то на
наружных дорожках остается много
сво­бодного места. Некоторые фирмы
при изготовлении жестких дисков делают
дорожки различной емкости. Но, для того
чтобы стандарт­ные операционные
системы могли работать с такими дисками,
встро­енный в них контроллер осуществляет
пересчет адресов; при этом фи­зически
на диске имеется меньшее количество
дорожек, чем кажется операционной
системе (так как операционная система
настроена на работу с дорожками одинаковой
емкости).

Количество дисков,
каждый из которых имеет по две рабочие
по­верхности, в накопителе может быть
от 3 до 10 и более. В некоторых накопителях
две крайние поверхности пакета (верхняя
и нижняя) не являются рабочими — при
этом сокращается размер дисковода (и
емкость тоже). Иногда эти поверхности
используются для размеще­ния служебной
информации.

Жесткие
диски делают герметичными — малое
расстояние (зазор) между рабочей
поверхностью и магнитной головкой
должно быть за­щищено от пылинок,
чтобы уберечь тонкий напыленный слой
кобаль­та от стирания. Магнитная
головка во время работы не должна
ка­саться поверхности диска и в то же
время должна находиться от нее на
расстоянии в доли микрона. Наиболее
распространенный способ удовлетворения
обоих условий — применение «воздушной
подушки»: в магнитной головке делаются
отверстия, через которые в рабочий зазор
в направлении магнитного диска нагнетается
сжатый воз­дух — он и является демпфером
(воздушной подушкой), не позво­ляющим
магнитной головке «прижаться» к
поверхности диска. Воздух перед
нагнетанием в зазоры проходит тщательную
очистку от пыли с помощью специальных
фильтров.

Магнитные головки
при работе НМД могут перемещаться,
настра­иваясь на требуемую дорожку.

Перед
началом эксплуатации пакет магнитных
дисков формати­руется: на нем размечаются
дорожки (ставится маркер начала до­рожки
и записывается ее номер), наносятся
служебные зоны секто­ров на дорожках.
Для записи-чтения информации контроллеру
НМД передается адрес: номер цилиндра,
номер рабочей поверхности цилиндра,
номер сектора на выбранной дорожке. На
основании этого магнитные головки
перемещаются к нужному цилиндру, ожи­дают
появления маркера в начале дорожки и
появления требуемого сектора, после
чего записывают или читают информацию
из него. Несмотря на то что все магнитные
головки установлены на требуе­мый
цилиндр, работает в каждый данный момент
только одна го­ловка.

Из-за
малого расстояния между секторами и
высокой скорости вращения пакета дисков
схемы управления не всегда успевают
пере­ключиться на чтение-запись
следующего сектора (если
считываемые-записываемые сектора
следуют один за одним). В этом случае
после обработки одного сектора приходится
ожидать, пока диск сделает целый оборот
и к головкам подойдет требуемый сектор.
Чтобы избе­жать этого, при форматировании
используется чередование (interleaving)
секторов: последовательность нумерации
секторов на дорожке задается таким
образом, что следующий по порядку номер
сектора принадлежит не следующему по
физическому размещению сектору, а через
«k»
секторов (где k
— фактор
чередования). Фактор чередования при
форматировании задается таким образом,
чтобы си­стема управления НМД обеспечила
обработку с последовательными номерами
без длительного ожидания (слишком
маленький k
приводит
к «проскакиванию» требуемого сектора
и ожиданию нового витка, слишком большое
значение k
также
приводит к ожиданию, так как схема
управления уже отработала, а требуемый
сектор все еще не подошел к головке).

Поскольку физически
НМД различных фирм могут быть устрое­ны
по-разному, возникает проблема
совместимости НМД с микро­процессорным
комплектом ЭВМ. Проблема эта решается
с помощью стандартизации интерфейсов
для накопителей на жестких магнитных
дисках.

Основной
характеристикой НМД является их емкость,
которая в наибольшей степени зависит
от
плотности записи, в свою очередь в
значительной степени зависящей от
уровня технологии. Наиболее ре­зультативным
для повышения плотности записи явилось
применение магниторезистивных головок,
которые известны и применяются уже
давно, но по-настоящему массовой
продукцией долгое время не были, из-за
большой капиталоемкости их производства.
Кроме увеличения емкости диска, повышение
плотности записи приводит и к увеличе­нию
скорости считывания-записи данных при
неизменных диаметре и скорости вращения
носителя.

Доступный
сейчас уровень технологии позволяет
за счет исполь­зования магниторезистивных
головок производить на 3.5″ НМД с
ин­терфейсами EIDE
и SCSI
накопители емкостью 1,25; 1,7 и более Гбайтов
и ставит на повестку дня увеличение их
емкости до 64 Гбайт. Скорость передачи
данных при использовании магниторезистивных
головок возросла с обычной 3—5 Мбайт/с
до 25 Мбайт/с.

Магнитная головка — устройство для записи, стирания и считывания информации с магнитного носителя: ленты, или диска (жесткого или гибкого).

Разновидности

Магнитная головка может работать как с одной дорожкой, так и с несколькими — от двух (стерео) до 16 (см. Многодорожечная запись) и более. Например, для хранения данных на мейнфреймах до конца 80-х годов был распространён стандарт 9-дорожечной записи. 9-дорожечная запись применяется также в некоторых современных стримерах.

Для разных процессов применяются различные, несколько отличающиеся друг от друга по конструкции^[1] головки: воспроизводящие (ГВ), записывающие (ГЗ), универсальные (ГУ)^[2] и стирающие (ГС) головки.

Иногда применяются комбинированные головки, конструктивно объединяющие, например, ГУ и ГС. Также иногда применяется отдельная головка подмагничивания, записи и воспроизведения вспомогательных сигналов и др. Количество их варьируется от одной-двух (ГУ + ГС — наиболее распространённый вариант в бытовом магнитофоне) до четырёх и более.

В случае использования нескольких головок в общем конструктиве (барабане, основании) говорят о блоке магнитых головок (БМГ). Для поперечно-строчной и наклонно-строчной записи головки могут устанавливаться на вращающийся барабан. Также головка может перемещаться относительно носителя поперёк записываемой дорожки: в накопителях на магнитных дисках, а также в реверсивных и некоторых многодорожечных магнитофонах (например, формата stereo 8).

Конструкция и принцип действия

Записывающие, универсальные и многие воспроизводящие головки имеют сходную конструкцию, и в простейшем случае представляет собой катушку индуктивности, имеющую сердечник с магнитным зазором, представляющим собой промежуток в магнитопроводе, заполненный немагнитным материалом. Огибая магнитный зазор, силовые линии магнитного поля проходят через поверхность движущегося возле магнитной головки носителя. Между носителем и сердечником может быть как непосредственный контакт (при малой скорости носителя относительно головки — в аналоговых аудиомагнитофонах, флоппи-дисководах и устройствах считывания магнитных карт), так и воздушный зазор (в видеомагнитофонах, R-DAT и жёстких дисках). При движении носителя вдоль рабочей поверхности магнитной головки мимо магнитного зазора остаточная намагниченность воздействует на магнитное поле магнитопровода и наводит ЭДС в обмотке головки, с помощью чего производится чтение с магнитного носителя. Если через обмотку магнитной головки пропускать переменный ток, магнитное поле в зазоре головки изменяет намагниченность участка магнитного носителя возле рабочего зазора, что позволяет стирать и записывать информацию на носитель.

Также в считывающих головках может использоваться эффект магнетосопротивления. В считывающих головках жёстких дисков могут применяться гигантское и туннельное магнетосопротивление.

Конструкция ГВ и ГУ обязательно содержит экран, защищающий от внешних электромагнитных полей. Они также требуют защиты от постоянных магнитных полей, вызванных паразитной остаточной намагниченностью окружающих деталей лентопротяжного механизма, иначе механическая вибрация, воздействующая на головку, находящуюся в постоянном магнитном поле, приводит к возникновению микрофонного эффекта.

В процессе работы зазор и поверхность магнитных головок засоряются осыпающимся с ленты магнитным слоем, и потому подлежат периодической очистке.

Важное значение для обеспечения совместимости записей, сделанных на разных магнитофонах, имеет правильная юстировка магнитных головок (их пространственное расположение по высоте и наклону относительно ленты) согласно принятым стандартам. Особенно сильно влияет на совместимость записей совпадение азимутов магнитных головок (угла между магнитным зазором головки и кромкой ленты) при записи и воспроизведении. Несовпадение азимутов всего на единицы угловых минут, приводит к заметному ухудшению воспроизведения высоких частот^[3]. В дешёвых магнитофонах нередко предусмотрено специальное отверстие в передней или задней панели, для юстировки головки «на слух», по максимуму воспроизводимых высоких частот.

Ширина магнитного зазора

Ширина магнитного зазора может составлять от нескольких нанометров (у головок жёстких дисков) до 100 мкм (ГС бытовых магнитофонов).

Ширина магнитного зазора определяет такой важный параметр, как минимальная длина волны записи (она равна удвоенной ширине магнитного зазора). Эффективность воспроизведения волн, меньших минимальной, резко снижается из-за того, что намагниченные участки, проходя мимо зазора ГВ, создают поля разных знаков, частично компенсирующие друг друга. Если ширина магнитного зазора равна или кратна длине волны записи, выходной сигнал воспроизводящей магнитной головки падает до нуля.^[4] Аналогично, при попытке записать сигнал, который при выбранной скорости движения носителя образует во́лны, длина^[5] которых меньше удвоенной ширины магнитного зазора записывающей головки, происходит их частичное размагничивание, и уровень записанного сигнала резко снижается.

В сочетании с скоростью движения магнитного носителя, ширина магнитного зазора определяет верхнюю границу записываемых и воспроизводимых частот тракта магнитной записи, выше которой уровень записи и воспроизведения резко снижается. Её можно оценить как:

[math]displaystyle{ f{_{max}}=10^6frac{V}{2 l} }[/math]

где [math]displaystyle{ f{_{max}} }[/math] — максимальная частота в Гц, [math]displaystyle{ V }[/math] — скорость движения носителя в м/с, [math]displaystyle{ l }[/math] — ширина магнитного зазора в мкм.

Применяемые материалы

В первых моделях кассетных магнитофонов применялись головки с сердечником из мягкого пермаллоя, служившие порядка 2000 часов.

В середине 1970-х годов им на смену пришли износостойкие головки из стеклоферрита (FX-головки, срок службы до 10 лет), а чуть позже — из сендаста (DX-головки, срок службы 6-8 лет). Более технологичные и дешевые сендастовые головки получили широкое распространение как универсальные (запись и воспроизведение сигнала), так и в качестве записывающих в магнитофонах средней ценовой группы. Стеклоферритовые головки использовались преимущественно в качестве универсальных или воспроизводящих у флагманских моделей.

В начале 1980-х годов были разработаны и произведены магнитные головки из аморфного металла (А-головки), практически не имеющего кристаллической структуры и отличающегося прекрасными магнитными свойствами. По износостойкости А-головки примерно в 4 раза уступают стеклоферритовым.

В середине 1990-х годов по технологии тонкоплёночных микросхем были созданы магниторезистивные головки (Z-головки), которые изменяли своё сопротивление в зависимости от интенсивности магнитного потока магнитофонной ленты. Выходной сигнал с этих головок, включенных в диагональ измерительного моста, мог достигать единиц милливольт. Соответственно — собственные шумы кассетного магнитофона снижались до уровня −62-68 дБ и приближались к уровню шумов качественного катушечного магнитофона.

Комбинация этих двух типов головок применялись в воспроизводящей секции БМГ в трёхголовочных AZ-аппаратах со «сквозным каналом» фирмы Technics (RS-AZ6, RS-AZ7).

Стирающие головки

Стирающие головки (ГС) отличаются от универсальных более широким зазором и более низкими нормами изготовления (для этого процесса не требуется высокая точность). На ГС подаётся переменное напряжение высокой частоты (порядка 100 кГц) от генератора стирания и подмагничивания (ГСП), в результате каждый участок магнитной ленты, проходя мимо широкого магнитного зазора ГС, несколько раз успевает перемагнититься до насыщения, а по мере удаления от магнитного зазора намагниченность ленты плавно спадает до нуля.

Для эффективного стирания должно выполняться условие:

[math]displaystyle{ {S_text{гс} f_text{ст}} geqslant {(20…30) v_0} }[/math]

где [math]displaystyle{ S_text{гс} }[/math] — ширина рабочего зазора ГС,

[math]displaystyle{ f_text{ст} }[/math] — частота тока стирания,

[math]displaystyle{ v_0 }[/math] — скорость движения ленты.

Кроме того, напряжённость магнитного поля в рабочем зазоре должна, по крайней мере, в 3…4 раза превышать коэрцитивную силу магнитной ленты. Магнитопровод головки должен перекрывать дорожку записи с некоторым запасом. Повышенную эффективность стирания имеют ГС с двумя магнитными зазорами, расположенными на расстоянии 1…3 мм друг от друга^[6].

Также, в самых дешёвых моделях магнитофонов (переносные, диктофоны и тп.) применяется ГС в виде постоянного магнита специальной формы, которая механически подводится к ленте при стирании. Это позволяет применить для подмагничивания генератор значительно меньшей мощности, а то и отказаться от него вовсе (применив подмагничивание постоянным током). Уровень шумов при стирании постоянным магнитным полем больше, чем при стирании высокочастотным переменным магнитным полем, но для низкокачественной записи это не критично.

Реверсные головки

В наиболее дорогих магнитофонах для этого применяются две раздельные головки ГВ/ГУ.
Специализированные головки для функции «реверс» (для кассетных магнитофонов) могут быть двух типов:

• иметь в одном корпусе пару стереоголовок (сдвоенные, то есть 4 дорожки), такие головки имеют одно неоспоримое преимущество над остальными типами — неизменный азимут;
• стереоголовка с механизмом «переворачивания» на 180° (англ. flip-flop, rotary reverse);

Также может использоваться необычная ГУ/ГВ уменьшенной высоты, а магнитофона имеет специальный механизм для сдвига её по высоте.

Блок вращающихся головок

Для осуществления поперечно-строчной и наклонно-строчной записи, применяемой в видеомагнитофонах и устройствах записи цифровых данных (стримерах, кассетах DAT и т. д.), одна или несколько головок устанавливаются на вращающемся барабане, который называется блок вращающихся головок (БВГ). Частота и фаза вращения БВГ обязательно поддерживается постоянной с помощью системы автоматического регулирования. Линейная скорость движения головок относительно ленты составляет единицы м/с, что позволяет записывать сигналы частотой порядка единиц МГц. Такой способ записи позволяет увеличить плотность записи. Сигнал с головок снимается бесконтактным путём с помощью вращающегося трансформатора, одна обмотка которого с половиной магнитопровода находится на барабане, другая на неподвижном основании БВГ.

В вычислительной технике и компьютерах

Головки дисковых накопителей

Под дисковыми накопителями, в данном случае, подразумеваются дисководы используемые в качестве запоминающих в основном в компьютерах и аналогичных вычислительных системах такие как жёсткий диск, устройства чтения/записи данных на магнитные дискеты.

Конструкция головок дисковых накопителей зависит от способа записи.

Головки современных жёстких дисков работают без контакта с поверхностью диска и удерживаются на небольшом расстоянии за счёт аэродинамических сил. Во время работы шпиндель жёсткого диска вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (от 3600 до 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин.

• 

  Блок магнитных головок, с механизмами позиционирования и блоком электроники АЦП

• 

  Блок магнитных головок, крупным планом

• 

  Макрофотография магнитной головки

• 

  Блок магнитных головок позиционированный над пластиной

• 

  Запаркованная магнитная головка

• 

  Последствие касания магнитной головкой поверхности диска

Устройство позиционирования головок

Устройство позиционирования головок (жарг. актуатор) представляет собой малоинерционный соленоидный двигатель^[7]. Он состоит из неподвижной пары сильных неодимовых постоянных магнитов, а также катушки (соленоид) на подвижном кронштейне блока головок. Блок головок — пакет кронштейнов (рычагов) из сплавов на основе алюминия, совмещающих в себе малый вес и высокую жёсткость (обычно по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.

Двигатель, совместно с системой считывания и обработки записанной на диск сервоинформации и контроллером (VCM controller) образует сервопривод.^[8][9]

Система позиционирования головок может быть и двухприводной. При этом основной электромагнитный привод перемещает блок с обычной точностью, а дополнительный пьезоэлектрический механизм совмещает головки с магнитной дорожкой с повышенной точностью^[10].

Головки ленточных накопителей

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

См. также

• Магнитофон
• Магнитная звукозапись
• Видеомагнитофон
• Подмагничивание
• Магнитный диск
• Магнитная лента

Примечания

Ссылки

• Принципы магнитной записи

Литература

• Магнитная головка — статья из Большой советской энциклопедии. 

Плотность записи накопителей на жестких дисках (HDD) в первую очередь определяется размером и конструкцией головок чтения/записи. Именно в направлении развития и совершенствования головок очень долгое время работала вся отрасль «жестких дисков». Результатом долгой, кропотливой и «умной» работы инженеров стал целый ряд новейших разработок своего времени. Каждый новый тип головки чтения/записи становился поворотным моментом в развитии накопителей и проводил к увеличению плотности записи и емкости дисков на порядок, а иногда и на несколько порядков. Знание важнейших этапов развития жестких дисков является неотъемлемой чертой хорошего специалиста по ремонту дисков и восстановлению информации.

Практически в любой публикации по устройству накопителей HDD, которыми пестрит Internet, мы сможем найти поверхностный обзор головок чтения/записи. Однако тема головок чтения/записи на самом деле гораздо шире и занимательнее, чем это можно представить себе, читая отрывочные и бессистемные заметки на данную тему. Кроме того, бросается в глаза то, что во всех Internet-публикациях классификация головок практически одна и та же, причем эта классификация явно страдает неполнотой представленной информации. В реальности же, типов головок чтения/записи гораздо больше, чем это принято считать в рунете, и поэтому, как нам кажется, разговор на данную тему вполне буде актуальным.

Итак, не откладывая в долгий ящик, приступим к обзору головок чтения/записи накопителей HDD, в котором в той или иной степени буду затронуты следующие их типы:

1. Ферритовые головки чтения-записи (FH)

2. Головки чтения-записи с металлом в зазоре (MIG)

3. Тонкопленочные головки чтения-записи (TF)

4. Магниторезистивные головки чтения (MR)

5. Гигантские магниторезистивные головки чтения (GMR), они же SPIN-VALVE головки (SV GMR)

6. GMR-головки чтения для продольной записи (GMR CIP)

7. GMR-головки чтения для перпендикулярной записи (GMR CPP)

8. Зеркальные GMR головки чтения

9. Двойные зеркальные GMR-головки чтения

10. Туннельные ферромагнитные головки чтения (MTJ)

11. Колоссальные магниторезистивные головки чтения (CMR)

12. Туннельные магниторезистивные головки чтения (TMR)

13. Головки для магнитной записи с помощью нагрева (HAMR-головки)

Так как в рамках одной статьи рассмотреть все эти технологии даже поверхностно является достаточно трудной задачей, то данный обзор мы разбили на несколько частей, которые будут публиковаться в нескольких номерах нашего журнала.

Ферритовые головки

Ферритовые головки были самыми первыми головками чтения/записи, использовавшимися фирмой IBM в накопителях типа «винчестер». Эти головки имеют самую простую конструкцию и самый простой принцип работы. Сердечник головки выполнен из прессованного феррита, изготовленного на основе окиси железа, и имеет U-образную форму. Вокруг этого сердечника наматывается обмотка, в которой и создается ток записи или чтения. Фактически, ферритовая головка представляет собой классический электромагнит очень малых размеров. Таким образом, на концах U-образного магнита формируются магнитные полюса (южный и северный), создающие магнитное поле. При этом направление силовых линий данного магнитного поля определяется направлением тока в обмотке головки. Сердечник головки состоит из двух половинок, между которыми имеется зазор (рис.1).

Рис.1

При выполнении операции записи на диск, электрический ток, протекающий через обмотку головки, создает магнитное поле в зазоре между полюсами сердечника (рис.2), в результате чего и происходит намагничивание поверхности дискового накопителя. Смена направления тока в обмотке головки приводит к изменению полярности магнитного поля, а, соответственно, и к изменению направления намагничивающей силы (рис.2-a и рис.2-б).

Рис.1

При выполнении операции записи на диск, электрический ток, протекающий через обмотку головки, создает магнитное поле в зазоре между полюсами сердечника (рис.2), в результате чего и происходит намагничивание поверхности дискового накопителя. Смена направления тока в обмотке головки приводит к изменению полярности магнитного поля, а, соответственно, и к изменению направления намагничивающей силы (рис.2-a и рис.2-б).

Рис.2

При чтении же, наоборот, намагниченная область диска, «пролетая» под головкой, создает в U-образном сердечнике изменяющееся магнитное поле, что, в свою очередь, приводит к появлению в обмотке электрического тока. Направление тока в обмотке зависит от полярности намагниченной области диска (рис.3).

Рис.3

Таким образом, ферритовая головка является универсальной, т.е. может использоваться как для записи, так и для чтения информации с диска.

Ферритовые головки имели значительные габариты и были довольно громоздкими, в результате чего их размещали на достаточно большом расстоянии от дисковой поверхности. Это обстоятельство, в свою очередь, приводило к необходимости увеличивать массу и габариты магнитных доменов диска для того, чтобы они могли обеспечить значительную напряженность магнитного поля. Таким образом, с помощью ферритовых головок невозможно добиться высокой плотности записи, и их применение ограничивалось дисками, емкостью до 50 Мбайт.

Устройство ферритовой головки чтения-записи и ее внешний вид показаны на рис.4. На этой фотографии очень хорошо виден ползунок (слайдер), который к головке чтения-записи прямого отношения не имеет, а предназначен для того, чтобы задавать необходимое расстояние между головкой и поверхностью диска. Слайдер позволяет головке «порхать» над поверхностью диска на заданной высоте. Конструкция, габариты и другие параметры слайдера имеют очень большое значение, но об этом чуть позже.

Рис.4

Вскоре ферритовые головки были усовершенствованы путем помещения сердечника в керамический корпус, что позволило увеличить плотность записи. Такие головки широко использовались в накопителях до середины 80-х годов. Ферритовые головки непригодны для записи на носители с большой коэрцитивной силой.

MIG-головки

MIG — Metal-In-Gap (метал в зазоре) – это композитные головки, в которых нерабочий (обратный поверхности диска) зазор заполнен металлом (рис.5).

Рис.5

Такая конструкция позволяет значительно уменьшать магнитное насыщение сердечника головки. Благодаря заполнению заднего технологического зазора, склонность материала сердечника к магнитному насыщению уменьшается, что позволяет увеличить магнитную индукцию (индукция насыщения магнитного сплава вдвое выше, чем самого ферритового сердечника головки) и записывать данные с большей плотностью за счет увеличения коэрцитивной силы. Технология MIG позволяет увеличить магнитную индукцию в зазоре между головкой и диском. MIG-головки формируют на поверхности диска намагниченные участки с более выраженными границами намагниченных зон, что позволяет использовать более тонкий магнитный слой. Сердечник MIG-головок имеет значительно меньшие размеры, по сравнению с сердечниками ферритовых головок, что приводит к уменьшению их массы, а, следовательно, и к уменьшению зазора между головкой и поверхностью диска. Один из вариантов конструкции MIG-головки показан на рис.6.

Рис.6

Существовала также разновидность MIG-головок с напылением магнитного сплава и в рабочий зазор – так называемые, двухслойные MIG-головки. Такой подход позволял улучшить характеристики головок.

Так как MIG-головки, являются разновидностью ферритовых головок, то они являются универсальными головками чтения-записи.

Конструкция MIG-головок позволяла производить дисковые накопители с емкостью от 50 до 100 Мбайт.

Тонкопленочные головки

Первые тонкопленочные (Think Film – TF) головки получили практическое применение в 1979 году, хотя их конструкция разрабатывалась с 1960 года. В литературе можно встретить еще и такое название этих головок, как тонкопленочные индуктивные головки –Thin Film Inductive (TFI). Производились тонкопленочные головки путем фотолитографии, т.е. так же как и интегральные микросхемы. Данная технология производства позволяет резко уменьшить размер и массу головок.

Сердечник тонкопленочной головки получается следующим образом. На подложку головки по специальному шаблону наносится очень тонкий слой проводящего материала – железоникелевого сплава, величина индукции насыщения которого в 2-4 раза больше, чем у пермаллоя (ферромагнитного сплава). В результате, сердечник, на который наматывается обмотка, получается очень компактным. Малый вес и малые габариты TF-головок позволяют до 0,03 мкм уменьшить просвет между поверхностью диска и головкой. Небольшая высота TF-головок способствует тому, что в накопителе удается разместить большее количество магнитных дисков, без увеличения его высоты. Эти головки также имели хорошую остаточную намагниченность участков поверхности носителя.

Конструкция TF-головок позволяет изменять зазор между головкой и диском путем наращивания слоев алюминиевого сплава на рабочую поверхность головки. Уменьшение зазора дает увеличение остаточной намагниченности и повышается отношение «сигнал—шум», так как увеличивается амплитуда сигнала. Кроме этого, алюминиевый сплав предотвращает повреждения головки о поверхность диска. Большим преимуществом TF-головок является уменьшение магнитных доменов на дисковой поверхности, что позволяет увеличить плотность записи.

Временем «расцвета» технологии TF-головок можно считать конец восьмидесятых – середина девяностых годов 20 века. С использованием тонкопленочных головок производились накопители емкостью от 100 МБ до нескольких Гбайт.

Пример тонкопленочной головки чтения-записи представлен на рис.7.

Рис.3

Таким образом, ферритовая головка является универсальной, т.е. может использоваться как для записи, так и для чтения информации с диска.

Ферритовые головки имели значительные габариты и были довольно громоздкими, в результате чего их размещали на достаточно большом расстоянии от дисковой поверхности. Это обстоятельство, в свою очередь, приводило к необходимости увеличивать массу и габариты магнитных доменов диска для того, чтобы они могли обеспечить значительную напряженность магнитного поля. Таким образом, с помощью ферритовых головок невозможно добиться высокой плотности записи, и их применение ограничивалось дисками, емкостью до 50 Мбайт.

Устройство ферритовой головки чтения-записи и ее внешний вид показаны на рис.4. На этой фотографии очень хорошо виден ползунок (слайдер), который к головке чтения-записи прямого отношения не имеет, а предназначен для того, чтобы задавать необходимое расстояние между головкой и поверхностью диска. Слайдер позволяет головке «порхать» над поверхностью диска на заданной высоте. Конструкция, габариты и другие параметры слайдера имеют очень большое значение, но об этом чуть позже.

Рис.4

Вскоре ферритовые головки были усовершенствованы путем помещения сердечника в керамический корпус, что позволило увеличить плотность записи. Такие головки широко использовались в накопителях до середины 80-х годов. Ферритовые головки непригодны для записи на носители с большой коэрцитивной силой.

MIG-головки

MIG — Metal-In-Gap (метал в зазоре) – это композитные головки, в которых нерабочий (обратный поверхности диска) зазор заполнен металлом (рис.5).

Рис.5

Такая конструкция позволяет значительно уменьшать магнитное насыщение сердечника головки. Благодаря заполнению заднего технологического зазора, склонность материала сердечника к магнитному насыщению уменьшается, что позволяет увеличить магнитную индукцию (индукция насыщения магнитного сплава вдвое выше, чем самого ферритового сердечника головки) и записывать данные с большей плотностью за счет увеличения коэрцитивной силы. Технология MIG позволяет увеличить магнитную индукцию в зазоре между головкой и диском. MIG-головки формируют на поверхности диска намагниченные участки с более выраженными границами намагниченных зон, что позволяет использовать более тонкий магнитный слой. Сердечник MIG-головок имеет значительно меньшие размеры, по сравнению с сердечниками ферритовых головок, что приводит к уменьшению их массы, а, следовательно, и к уменьшению зазора между головкой и поверхностью диска. Один из вариантов конструкции MIG-головки показан на рис.6.

Рис.6

Существовала также разновидность MIG-головок с напылением магнитного сплава и в рабочий зазор – так называемые, двухслойные MIG-головки. Такой подход позволял улучшить характеристики головок.

Так как MIG-головки, являются разновидностью ферритовых головок, то они являются универсальными головками чтения-записи.

Конструкция MIG-головок позволяла производить дисковые накопители с емкостью от 50 до 100 Мбайт.

Тонкопленочные головки

Первые тонкопленочные (Think Film – TF) головки получили практическое применение в 1979 году, хотя их конструкция разрабатывалась с 1960 года. В литературе можно встретить еще и такое название этих головок, как тонкопленочные индуктивные головки –Thin Film Inductive (TFI). Производились тонкопленочные головки путем фотолитографии, т.е. так же как и интегральные микросхемы. Данная технология производства позволяет резко уменьшить размер и массу головок.

Сердечник тонкопленочной головки получается следующим образом. На подложку головки по специальному шаблону наносится очень тонкий слой проводящего материала – железоникелевого сплава, величина индукции насыщения которого в 2-4 раза больше, чем у пермаллоя (ферромагнитного сплава). В результате, сердечник, на который наматывается обмотка, получается очень компактным. Малый вес и малые габариты TF-головок позволяют до 0,03 мкм уменьшить просвет между поверхностью диска и головкой. Небольшая высота TF-головок способствует тому, что в накопителе удается разместить большее количество магнитных дисков, без увеличения его высоты. Эти головки также имели хорошую остаточную намагниченность участков поверхности носителя.

Конструкция TF-головок позволяет изменять зазор между головкой и диском путем наращивания слоев алюминиевого сплава на рабочую поверхность головки. Уменьшение зазора дает увеличение остаточной намагниченности и повышается отношение «сигнал—шум», так как увеличивается амплитуда сигнала. Кроме этого, алюминиевый сплав предотвращает повреждения головки о поверхность диска. Большим преимуществом TF-головок является уменьшение магнитных доменов на дисковой поверхности, что позволяет увеличить плотность записи.

Временем «расцвета» технологии TF-головок можно считать конец восьмидесятых – середина девяностых годов 20 века. С использованием тонкопленочных головок производились накопители емкостью от 100 МБ до нескольких Гбайт.

Пример тонкопленочной головки чтения-записи представлен на рис.7.

Рис.7

Магниторезистивные головки

Во-первых, сразу стоит оговориться, что магниторезистивный эффект используется только для построения головки чтения. Таким образом, магниторезистивные головки, в отличие от рассмотренных выше типов головок, состоят уже из двух частей:

— головки записи;

— головки чтения.

Модель такой разделенной по функциям головки чтения/записи демонстрируется на рис.8, где очень хорошо видно, что запись и чтение осуществляется разными элементами головками. (Головки записи на рис.8 показана для простоты понимания в виде индуктивной ферритовой головки, хотя на самом деле она является тонкопленочной).

Рис.8

Впоследствии тонкопленочная головка записи во многих накопителях была несколько модернизирована и приобрела такой вид, как это показано на рис.9.

Рис.9

Высокая чувствительность MR-головки чтения требует обязательного наличия экранирующих элементов, предотвращающих воздействие на головку внешних магнитных полей.

Свою историю магниторезистивные головки (Magnitoresitive – MR) начинают с начала 90-х. Первые поколения этих головок являлись анизотропными магниторезистивными головками (Anisotropic Magnitoresistive – AMR), и именно термином AMR обозначали их в различной документации. Позже данный тип головок стали обозначать просто MR, но сейчас в некоторых случаях возникает путаница, связанная с тем, что термином MR называют иногда и следующее поколение головок GMR. Именно поэтому в современных публикациях зачастую опять возвращаются к термину AMR для обозначения магниторезистивных головок. Фотография магниторезистивной головки демонстрируется на рис.10.

Рис.10

Применение магниторезистивных головок позволяет добиться чрезвычайно высокой плотности записи данных и высокого быстродействия накопителя. Принцип работы головки основан на том, что при считывании данных реактивное сопротивление обмотки MR-головки оказывается различным при прохождении над участками с разными значениями остаточной намагниченности. Таким образом, магниторезистивная головка регистрирует не на изменения намагниченности (как это было в головках рассмотренных выше), а на величину намагниченности рабочего слоя диска.

В составе магниторезистивной головки чтения имеется добавочная обмотка, в которой создается постоянный измерительный ток. В момент, когда головка проходит над зоной намагниченности, сопротивление этой обмотки изменяется, а соответственно изменяется величина измерительного тока. Контролируя величину этого тока, управляющая схема регистрирует наличие полезного сигнала на выходе головки чтения. Амплитуда выходного сигнала MR-головки в несколько раз больше, чем тонкопленочной. Фактически, главным отличием MR-головки является то, что она представляет собой резистивный датчик магнитного поля, а не генератор электродвижущей силы, как описанные ранее головки.

В ферритовых, MIG и TF головках рабочий зазор между головкой и поверхностью накопителя один – и для операций записи и для операций чтения – и это логично, ведь данные головки одновременно являются и головками чтения, и головками записи. А вот в MR-головке рабочих зазоров два – каждый для своей операции (рис.11). В MR-головках у считывающего узла зазор должен быть меньшим (для увеличения разрешающей способности), а у записывающего – более широким (для более глубокого проникновения магнитного потока в рабочий слой носителя). Поэтому записывающая головка создает более широкие дорожки, чем это необходимо для считывающей MR-головки. Таким образом, при считывании не захватываются шумы с соседних дорожек, что, несомненно, повышает привлекательность использования MR-головок в накопителях.

Рис.11

Кроме того, стоит отметить, что между головками чтения и записи и поверхностью диска также получаются разные зазоры. Головка чтения оказывается на большем расстоянии от поверхности диска, чем головка записи, поэтому чувствительность MR-сенсора имеет весьма большое значение для уверенного приемам сигнала от магнитного домена. Разность зазоров чтения и записи обусловлена наклонным положением слайдера головки (рис.12).

Рис.12

Представление о реальном устройстве магниторезистивной головки и ее положении относительно магнитного носителя информации (дорожек на диске) дает рис.13.

Рис.13

Магниторезистивная головка имеет сложную, многослойную структуру (рис.14), а основой головки является железо-никелевый сплав (NiFe), который и является датчиком магнитного поля, на выходе которого формируется электрический сигнал при прохождении под головкой намагниченного участка (рис.15).

Рис.14

В железо-никелевом сенсоре течет постоянный ток, но в момент прохождения под головкой магнитного домена, магнитное поле искажает траекторию электронов сенсора, что приводит к изменению сопротивления железо-никелевой пластины. В результате, величина тока в магнитном сенсоре возрастает, или, наоборот, уменьшается, в зависимости от направления магнитного поля.

Рис.15

MR-головки используются в большинстве накопителей емкость от 1 Гбайт до 30 Гбайт.

Перейти ко второй части статьи.

Дополнительные материалы по теме:

• HAMR головки чтения/записи для накопителей HDD. Взгляд в будущее.

• Головки чтения/записи накопителей HDD.Часть вторая.

Восстановление данных и устройство жесткого диска.

Весь винчестер, как устройство, делится на две крупные составляющие: плату электроники и гермозону или «банку», внутри которой уже находятся магнитные диски, блок магнитных головок, шпиндельный двигатель.

Рис.13

Магниторезистивная головка имеет сложную, многослойную структуру (рис.14), а основой головки является железо-никелевый сплав (NiFe), который и является датчиком магнитного поля, на выходе которого формируется электрический сигнал при прохождении под головкой намагниченного участка (рис.15).

Рис.14

В железо-никелевом сенсоре течет постоянный ток, но в момент прохождения под головкой магнитного домена, магнитное поле искажает траекторию электронов сенсора, что приводит к изменению сопротивления железо-никелевой пластины. В результате, величина тока в магнитном сенсоре возрастает, или, наоборот, уменьшается, в зависимости от направления магнитного поля.

Рис.15

MR-головки используются в большинстве накопителей емкость от 1 Гбайт до 30 Гбайт.

Перейти ко второй части статьи.

Дополнительные материалы по теме:

• HAMR головки чтения/записи для накопителей HDD. Взгляд в будущее.

• Головки чтения/записи накопителей HDD.Часть вторая.

Восстановление данных и устройство жесткого диска.

Весь винчестер, как устройство, делится на две крупные составляющие: плату электроники и гермозону или «банку», внутри которой уже находятся магнитные диски, блок магнитных головок, шпиндельный двигатель.

   
Рис.1 Внешний вид жесткого диска фирмы MAXTOR.

ПЛАТА ЭЛЕКТРОНИКИ (КОНТРОЛЛЕР)

Плата электроники или контроллер на жестком диске, по-сути, маленький компьютер.

Рис.2 Внешний вид платы электроники (контроллера) жесткого диска фирмы MAXTOR.

Вокруг гермозоны ходят слухи, а также бытует мнение, что внутри жесткого диска находится вакуум. Да, да именно вакуум. В своей профессиональной деятельности, довольно часто приходится сталкиваться с вопросом, что-то вроде: «А как же вы будете вскрывать жесткий диск? Там же вакуум?»

   
Рис.3 То, что скрывается под крышкой жесткого диска фирмы MAXTOR.

В определенной степени такое мнение формирует само название гермозона. Так что же там? Давайте разберемся. Гермозона (герметичная зона) — полость жесткого диска, ограниченная «банкой» и крышкой, внутри которой находиться очищенный от частиц пыли воздух. Герметична эта зона именно для того, чтобы не допустить попадания пыли внутрь винчестера. Однако сказать, что у всех HDD она абсолютно герметична тоже не совсем правильно, так как в конструкции некоторых жестких дисков присутствует специальное технологическое отверстие с очищающим фильтром для доступа воздуха и выравнивания давления (см. фото).

Рис.4 Отверстие в крышке жесткого диска фирмы Western Digital

Следующий элемент в конструкции жесткого диска, который мы рассмотрим, это блок магнитных головок или БМГ. Блок магнитных головок называется блоком потому, что конструктивно, кроме самих головок чтения-записи на нем расположена микросхема предварительного усилителя-коммутатора, которая усиливает сигнал, получаемый при чтении информации с магнитного диска. Все это выполнено в виде единого блока (см. фото).

Рис.5 Внешний вид блока магнитных головок

Во время чтения-записи головки «парят» над поверхностью магнитного диска на воздушной подушке, образованной от скорости вращения диска, и если в этот зазор попадет пылинка, головки могут удариться о поверхность и сгореть от трения и/или проделать царапину. Именно поэтому еще раз напомню: обеспечение чистого беспыльного пространства внутри жесткого диска необходимое условие для поддержания работоспособности жесткого диска. В гермозоне жесткого диска БМГ крепятся с двух сторон: к корпусу и крышке. У некоторых винчестеров очень чувствительный механизм работы и нарушение оси крепления блока головок приводит к нестабильной работе и поломке. Так, например, у винчестеров фирмы Western Digital достаточно открутить винты на крышке, чтобы жесткий диск перестал работать. А как же ломается блок магнитных головок? При выходе из строя «головок», в подавляющем большинстве случаев, при включении жесткого диска слышны методичные стучащие звуки. Эти звуки происходят оттого, что БМГ не может прочитать служебную информацию, находящуюся на магнитном диске (или, как его называют на жаргоне, «блине»), по причине неисправности либо усилителя-коммутатора, либо головки чтения из блока магнитных головок, либо повреждения магнитного слоя «блина» (как показано на фото),что бывает при задирании или отрыве головки. В последнем случае, как правило, восстановление данных не представляется возможным (по крайней мере, в настоящее время; а создание устройства альтернативного чтения поверхности «блина» при его повреждении экономически не обосновано). А как же восстановить информацию при неисправном БМГ? Для этого производят замену блока магнитных головок целиком либо перепаивают коммутатор, если это возможно. Опасность выхода из строя блока магнитных головок заключается в том, что они находятся в непосредственной близости от магнитного слоя и возможно его повреждение.

Рис.6 Поврежденная поверхность магнитного диска

И еще. В современных носителях в БМГ стоит несколько головок чтения-записи и плотность записи настолько велика, что серьезно осложняет операцию по замене головок в связи с уменьшением ширины трека для позиционирования БМГ. Ниже приведены фотографии сделанные по заказу нашей лаборатории с помощью зондового микроскопа, на которых представлены снимки поверхности магнитного диска с различной степенью плотности. Как говориться: «Почувствуйте разницу».

20 Гб

160 Гб
Рис.7 Поверхность магнитного диска под микроскопом

ШНИНДЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Этот элемент в конструкции жесткого диска является той самой «ахиллесовой пятой», повреждение которой неминуемо приводит к потере информации. Под повреждением здесь необходимо понимать не только механические царапины и запилы (см. Рис.4), но и отпечатки пальцев, после неквалифицированного вскрытия гермозоны жесткого диска, гарь от сгорания предусилителя-коммутатора, появление сбойных секторов и т.д. Сохранение целостности поверхности магнитного диска необходимое условия для проведения работ по восстановлению данных.
Магнитный диск представляет собой алюминиевую пластину (иногда стеклянную, как у винчестеров фирмы IBM) круглой формы размером примерно как компакт-диск.

Рис.8 Магнитный диск

На поверхности диска находиться магнитный слой, который и служит основой для записи информации. Изначально поверхность «блина» абсолютно «лысая», то есть магнитные домены ни как не ориентированны.

Рис.9 Поверхность чистого магнитного диска

Жесткий диск конструктивно сложное устройство. Механическая составляющая винчестера это слабое звено во всем системном блоке. Ведь если остальные элементы компьютера можно безболезненно поменять, купив новые, то жесткий диск так просто не заменишь, ведь на нем хранится информация (это не касается файлов операционной системы, которую можно переустановить). Не смотря на то, что некоторые компании занимаются разработкой альтернативных носителей информации, в которых не будет механических элементов, все же в настоящее время отказываться от производства жестких дисков на основе магнитного принципа записи никто не собирается. Подтверждением тому служит появление винчестеров использующих перпендикулярный принцип записи, что позволило добиться более высокой плотности записи. Вследствие этого уже появились НЖМД емкостью в 1 Тб.
Если же Вам все-таки «посчастливилось» столкнуться с потерей важной информации, стоит трезво оценить, как устранять данную неприятность: обратиться в специализированную лабораторию восстановления данных или полагаться на собственные силы и знания. Ведь это тоже самое, что обратиться к врачу в случае болезни или заниматься самолечением. Результат очевиден. Но от потери информации существует универсальное лекарство. И пока пользователи персональных компьютеров не будут пользоваться резервным копированием, компании занимающиеся восстановлением данных не останутся без работы.

---

---

Головка чтения и записи диска

Устройство и принципы работы жесткого диска

НЖМД или накопитель информации на жестких магнитных дисках (английское называние НDD – Hard Disk Drive), на жаргоне называемый «винчестер», можно условно разделить на две части: герметичный блок и плату электроники. В герметичном блоке размещены все механические части жесткого диска. Он заполнен самым обычным воздухом под атмосферным давлением, но очищенным от пыли.

Механическая часть винчестера состоит из одного или нескольких магнитных дисков (пластин), которые жестко закреплены на шпинделе двигателя, а так же системы позиционирования магнитных головок. Сами головки находятся над каждой из сторон магнитного диска и осуществляют чтение/запись данных с поверхности пластин, которые вращаются с огромными скоростями: до 15 000 оборотов в минуту. Головки, закрепленные на специальных держателях, перемещаются от центра диска к краю. Точное позиционирование магнитных головок осуществляет система позиционирования в соответствии с записанной на диске сервоинформацией. Считывая эти данные, система позиционирования определяет силу тока, которую необходимо пропустить через катушку электромагнита, чтобы удержать магнитную головку над нужной дорожкой.

В момент подключения питания процессор жесткого диска производит тестирование электроники и только после этого даёт команду на включение шпиндельного двигателя. После того, как скорость вращения пластин достигает некого предельного значения, плотность воздуха, увлекаемого поверхностью пластин, становится достаточной для того, чтобы преодолеть силу, прижимающую головки к поверхности и поднять их на высоту около микрона над поверхностями пластин. Начиная с этого момента и до снижения скорости ниже предельной, головки как бы «парят» на воздушной подушке и не касаются поверхности пластин.

После того, как диски достигают скорость вращения, близкую к номинальной, головки выводятся из зоны парковки, где находятся всё нерабочее время. Начинается поиск сервометок для более точной стабилизации скорости вращения, после чего происходит считывание микрокода и прочей служебной информации. На последнем этапе инициализации выполняется тестирование системы позиционирования. В процессе тестирования происходит перебор определенной последовательности дорожек, и если тест проходит успешно, жесткий диск готов к работе. Чтобы повысить надежность хранения данных, микропрограмма жестких дисков отслеживает технологические параметры (SMART) и, в случае необходимости, уведомляет пользователя о возможных неполадках.

 Микропрограмма жесткого диска (Firmware или служебная информация)

Микропрограмма (firmware) контроллера частично хранится в микросхеме, частично — на самих магнитных дисках. Для этого ей отведена специальная служебная область, недоступная для пользователей. После того, как на жесткий диск подано рабочее напряжение или произошла активизация сигнала «сброс» на информационной шине, микропроцессор запускает/перезапускает программу, записанную в микросхеме. Выполняется самодиагностика, тестируется оперативная память, программируются микросхемы, находящиеся на внутренней шине жесткого диска, и если отсутствует аварийная ситуация, запускается двигатель. Следующим шагом измеряется период следования импульсов фазных обмоток и происходит ожидание того момента, когда двигатель наберёт номинальную скорость вращения. После этого контроллер посылает команду на перемещение магнитных головок к дорожке, содержащей основную часть микропрограммы, и начинает считывать серворазметку, чтобы окончательно стабилизировать скорость вращения. По завершению считывания микропрограммы и её выполнения, жесткий диск готов принимать сигналы от внешнего интерфейса компьютера.

Надежность жестких дисков и их производительность зависит от внутреннего программного обеспечения (его эффективности и качества), выполняющегося на микропроцессоре накопителя. Некоторые производители в течение всего времени, пока выпускается определенная модель, дорабатывают микропрограмму, улучшая её функциональные параметры. Как правило, серьезных ошибок, которые способны нарушить нормальную работу жесткого диска, в микропрограммах попросту не может быть. А вот любой сбой в процессе обновления, очень даже может привести к выходу накопителя из строя. После обновления микрокода не нужно ждать каких-либо заметных изменений или улучшений в работе жесткого диска. А о появлении неких дополнительных функций или заметном увеличении производительности винчестера можно даже и не мечтать. Дело том, что подобные обновления предназначены исключительно для увеличения надежности работы устройств.

  Гермоблок жесткого диска

Большую часть конструкции жесткого диска занимает цельный металлический корпус, предохраняющий магнитные пластины и точную механику от воздействий окружающей среды. Называние гермоблока говорит само за себя: это герметичная область, которая защищает жесткий диск от пыли и прочих мелких частиц. Гермоблок необходим, так как любая, даже очень мелкая частица, если она попадет в узкий зазор между головкой и поверхностью диска, может повредить чувствительный магнитный слой и привести жесткий диск в негодность. Так же корпус защищает накопитель от электромагнитных помех, т.е. играет роль экрана. Внутренне пространство гермоблока заполнено простым, но полностью очищенным от пыли воздухом. Его не задувают туда специально, просто сборка осуществляется в таком помещении, где на один кубический метр воздуха приходится меньше ста пылинок. Однако, не смотря на называние, гермоблок не совсем герметичен. Для выравнивания его внутреннего давления с атмосферным, в корпусе делается отверстие, которое закрыто плотным фильтром, чтобы предотвратить попадание пыли. В процессе работы, пластины вращаются, создавая циркулирующий поток воздуха. Этот поток проходит сквозь еще один фильтр, который производит дополнительную очистку.

  Магнитная пластина жесткого диска

Магнитная пластина в большинстве случаев представляет собой диск из легких сплавов на основе алюминия. Есть модели, в которых пластины изготовлены из керамики или специального стекла, но они крайне редки. На поверхность пластин, в независимости от их состава, для придания магнитных свойств, наносится слой кобальта. Технология вакуумного напыления магнитного слоя диска аналогична технологии используемой при производстве интегральных микросхем. Структура магнитного покрытия такова, что она представляет собой большое количество микроскопических областей, называемых доменами. В процессе записи, магнитная головка создаёт внешнее магнитное поле, которое, воздействуя на домен, меняет вектор его намагниченности. После того, как внешнее поле исчезает, на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Именно по такому принципу и осуществляется запись и хранение информации на магнитных дисках. Процесс считывания происходит следующим образом: в магнитной головке, когда она оказывается напротив участка остаточной намагниченности, наводится электродвижущая сила, которая и позволяет считать информацию. Количество пластин в жестком диске может быть различным. Количество рабочих поверхностей, соответственно, в два раза, так как у каждой пластины две рабочих стороны.

Стоит обязательно сказать о небольшой путанице в объемах жестких дисков. Дело в том, что производители и продавцы жестких дисков считают, что в одном гигабайте содержится 1 000 000 000 байт, а не 1 073 741 824 как это принято в информатике. Эта хитрость позволила «увеличить» номинальную ёмкость накопителей на целых 7 %.

  Возникновение нечитаемых секторов (бэд блоков) на поверхности жесткого диска

Раньше контроль качества магнитной поверхности жестких дисков выполняла операционная система. Если она обнаруживала дефектный сектор, то сразу отмечала весь кластер, состоящий из нескольких секторов, как непригодный, и больше его в работе не использовала. После появления технологии SMART эту работу стали выполнять сами производители жестких дисков.

SMART функционирует следующим образом. Со временем, в процессе эксплуатации жесткого диска магнитная поверхность может размагничиваться, а значит, терять способность хранить информацию. К таким же последствиям приводит и механическое повреждение. Если был обнаружен новый сбойный сектор, электроника жесткого диска отмечает его в SMART и подменяет в трансляторе непосредственное физическое расположение сектора на новое, расположенное в заранее зарезервированной для подобных случаев области. А логический адрес, по которому система обращается за данными, останется прежним. Этот метод устранения дефектов имеет два названия: «метод замещения» (ReAssign) и «перестройка карты секторов» (ReMap).

Высокая температура вызывает «старение» магнитного напыления и способствует его спонтанному саморазмагничиванию. Вторая причина возникновения сбойных секторов — механическое повреждение магнитной поверхности. Поверхность пластин может быть повреждена мельчайшими частичками, которые проникли в гермоблок или же образовались при контакте магнитных головок с магнитной поверхностью пластин. Самое «страшное», что может случиться, это ударный контакт головки с магнитной поверхностью вращающихся пластин. Такое чаще всего случается из-за неаккуратного обращения с накопителем. В этом случае выбитая частица, сама будет намагниченной, а значит, чтобы сбросить её с поверхности диска и уловить фильтром, потребуется больше времени, а это сильно увеличивает шанс повторного столкновения с магнитной головкой. А ведь линейная скорость вращения пластин больше 100 км/ч! После отскока, частица летит в центр вращения, а это ещё больше увеличивает риск новых столкновений. Так как скорость выбитой частицы большая, то ударяя по поверхности пластины, оно может выбить новую частицу. Такой процесс может стать лавинообразным, что неизбежно приведет к появлению множества сбойных секторов, прочитать информацию с которых будет невозможно, даже при использовании технологии автоматической коррекции.

Функция самодиагностики (при периодическом запуске) позволяет обнаруживать и исправлять дефекты магнитной поверхности (уже имеющиеся и только намечающиеся) до того, как информация окончательно станет недоступной для чтения. Данные перемещаются в более надежное место на диске, а также производится повторное намагничивание поверхности диска идентичной информацией, что уменьшает эффект спонтанного саморазмагничивания. Проверка атрибутов SMART на предмет появления новых сбойных секторов может автоматически проходить одни раз в минуту. Такая периодическая проверка позволяет вовремя сделать резервную копию важной информации, что гораздо эффективнее, чем потом утраченную информацию восстанавливать.

  Магнитная головка жесткого диска

Магнитная головка устроена довольно сложно. Это устройство, имеющее в своём составе множество деталей, причем детали эти так малы, что изготавливаются с помощью метода фотолитографии, так же как и микросхемы. Степень точности полировки рабочей поверхности магнитной головки ничем не отличается от степени полировки поверхности магнитных пластин. Для разных моделей жестких дисков количество магнитных головок может быть разным. Обычно оно указывается производителем в технической документации и бывает от 1 до 8. Установка, а также удержание головки на магнитной дорожке обеспечивает электромагнитная система позиционирования.

Для осуществления записи данных используется индуктивная головка. Записываемая информация преобразуется головкой в переменное магнитное поле. Этим полем намагничивается участок магнитного диска. Недостатком индуктивной головки является то, что она не подходит для чтения информации. Дело в том, что амплитуда считываемого сигнала сильно зависит от скорости перемещения магнитного покрытия, а так же присутствует высокий уровень шумов, который сильно затрудняет распознавание слабых сигналов. По этой причине, для чтения информации применяются магниторезистивные головки MRH (Magneto-Resistive) или GMR (GiantMagneto-Resistive). Подобные головки представляют собой резистор, изменяющий своё сопротивление в зависимости от напряженности магнитного поля. Главное преимущество состоит в том, что амплитуда практически не зависит от скорости изменения магнитного поля. Использование магниторезистивных головок позволяет увеличить надежность считывания информации, а также увеличить предельную плотность записи.

До момента «взлета» на воздушной подушке, головки трутся о поверхность пластин в специально отведенном участке диска, называемом «парковочная зона». В процессе работы магнитные головки находятся на расстоянии в доли микрона от поверхности магнитных пластин. После выключения питания контроллер жесткого диска производит автоматическую парковку головок, т.е. перемещение их в парковочную зону, которая не используется для записи информации. В ней головки опускаются на поверхность магнитных дисков и находятся там всё нерабочее время.

  Двигатель жесткого диска

Стабильное вращение пластин смонтированных на оси (шпинделе) обеспечивает шпиндельный трехфазный двигатель. Внутри двигателя содержатся три обмотки, которые включены звездой с отводом посередине. Ротор представляет собой постоянный секционный магнит. Чтобы обеспечить малые биения на высоких оборотах, используются гидродинамические подшипники.

Шпиндельный двигатель запускается только после полной внутренней диагностики жесткого диска. Сначала двигатель раскручивается в форсированном режиме, не анализируя скорость вращения магнитных дисков. Для обеспечения этого этапа работы, блок питания компьютера должен иметь запас пиковой мощности. После того, как магнитные головки выводятся из зоны парковки, скорость вращения дисков становится контролируемой. Она управляется сигналом серворазметки, которая была записана на диск в процессе его изготовления. Электроника жесткого диска выделяет сервометки (они находятся между секторами) из общего потока данных и по ним стабилизирует скорость вращения пластин.

По сути, скорость вращения пластин является одной из самых важных характеристик производительности жесткого диска. Чем выше скорость, тем меньше время, необходимое для поиска информации, и тем больше скорость чтения и записи информации. В современных жестких дисках скорость вращения пластин в накопителях с интерфейсами PATA и SATA составляет от 4200 до 10000 оборотов в минуту. В дорогих серверных системах с интерфейсом SCSI, она может достигать 15000 оборотов в минуту. Однако дальнейшее увеличение скоростей вращения ограничивается тем, что повышается рабочая температура дисков, а это негативно сказывается на магнитном слое. Также для более скоростных моделей нужны более качественные подшипники, а их изготовление увеличивает конечную стоимость жестких дисков. Для накопителей со скоростью вращения пластин 7200 оборотов в минуту и выше уже требуются компьютерные корпуса с продуманной конструкцией пассивного охлаждения или же использования дополнительной системы активного охлаждения жестких дисков.

  Полезные ссылки

• Если вам необходимо восстановить данные с жесткого диска, то рекомендуем вам ознакомиться с информацией на странице Восстановление данных с жесткого диска.