Устройство и ремонт персонального компьютера (стр. 50 )

Магнитное покрытие носителей в накопителях на жестких дисках должно допускать очень высокую линейную плотность записи — свыше 100000ВРI (BPI (Bits Per Inch) — бит на дюйм. Единица плотности размещения данных вдоль дорожки записи. 100000BPI эквивалентны примерно 4000бит/мм.) Для достижения таких плотностей записи, качество рабочего слоя магнитного диска должно быть значительно.

Во-первых, рабочий слой должен обладать высокой коэрцитивной силой для того, чтобы полезные изменения остаточной намагниченности носителя уверенно детектировались на фоне шумов и помех. Как правило, коэрцитивная сила магнитного покрытия в накопителях на жестких дисках превышает 1400Э (эрстед).

Во-вторых, поверхность рабочего слоя должна быть максимально гладкой, а его толщина постоянной по всей площади магнитного диска (допустимые отклонения составляют сотые доли микрометра).

В первых моделях накопителей на жестких дисках рабочие слои были оксидными (на основе окислов ферромагнитных металлов железа, кобальта, хрома). В настоящее время рабочие слои представляют собой тонкие пленки — покрытия из чистых металлов или их сплавов, нанесенные на покрытые слоем промежуточного сцепляющего состава подложки. Поверх слоя металла наносится защитное покрытие, позволяющее сгладить неприятные последствия столкновений головок с поверхностными дефектами и инородными телами. Качество поверхности у тонкопленочных рабочих слоев значительно выше, чем у оксидных, что позволяет уменьшить толщину воздушной подушки головок записи/воспроизведения.

9.1.2. Циркуляция воздуха и воздушная подвеска головок

Головки записи/воспроизведения накопителей на жестких дисках непосредственно не касаются рабочего слоя, а “парят” над ним на небольшой высоте, поддерживаемые формирующимся, в результате вращения носителей воздушным потоком! Столкновение головки с микроскопическим дефектом поверхности или инородным телом (например, с частицей пыли) может вывести из строя либо саму головку, либо участок поверхности рабочего слоя.

Головки записи/воспроизведения должны располагаться на минимальном расстоянии от поверхностей магнитных дисков, но не должны касаться их рабочего слоя в процессе работы накопителя. В принципе, их можно было бы закрепить чисто механически, но при фиксированном зазоре пришлось бы самым тщательным образом оберегать накопители от неизбежных вибраций и ударов — что сделать практически невозможно. По этой причине головки записи/воспроизведения “подвешиваются” над поверхностью магнитного диска на воздушной подушке, возникающей в результате движения слоя воздуха, непосредственно прилегающего к вращающемуся носителю. Часть воздуха проходит сквозь мелкопористый фильтр рециркуляции, очищающий пространство внутри жесткого диска от посторонних частиц.

Во всех накопителях блоки головок и магнитных дисков (HDA — Head Disk Assembly) помещаются в изолированные, но в большинстве случаев не герметизированные корпуса. Воздухообмен с атмосферой, необходимый для выравнивания давлений внутри и вне блока HDA, осуществляется через мелкопористый барометрический фльтр. Делается это для того, чтобы предотвратить проникновение внутрь блока пыли, грязи, волосков и т. п. Как уже говорилось выше, головки записи/воспроизведения могут столкнуться с посторонними частицами, оседающими на поверхности магнитного диска. Такое столкновение может привести к повреждению либо самой головки, либо рабочего слоя, либо и того, и другого — а любое физическое повреждение означает частичную или полную непригодность накопителя. На рис. показаны сравнительные размеры посторонних частиц и воздушной подушки, на которой подвешивается головка, сама головка изображена в уменьшенном масштабе. В популярной литературе головки часто сравнивают с “реактивными слонами”, летящими на высоте 10 метров над землей со скоростью 1000км/ч. Из рисунка и приведенного сравнения следует, что даже самые незначительные отклонения поверхности от идеальной плоскости, возникающие в результате загрязнения или деформации рабочего слоя, могут иметь катастрофические последствия для головки. Даже частица табачного дыма по размеру раз в десять раз больше, чем толщина воздушной подушки. С учетом этих пропорций легко понять, почему так важно, чтобы блок HDA был изолирован от окружающей среды. Его можно вскрывать только в “чистых комнатах” (небольших изолированных помещениях, воздух в. которых очищается от всех частиц, размеры которых превышают 3 мкм). Сборщики накопителей на жестких дисках в таких помещениях работают в перчатках, спецодежде и масках, закрывающих органы дыхания. Все это делается для того, чтобы предотвратить загрязнение магнитных дисков пылью и конденсатом водяных паров.

9.1.3. Головки записи/воспроизведения

Головки записи/воспроизведения в дисковых накопителях играют роль интерфейса между электронными узлами и магнитным рабочим слоем. При записи головка преобразует электрический сигнал в переменное магнитное поле, под воздействием которого участки рабочего слоя, проходящие под головкой, приобретают остаточную намагниченность. При операциях считывания процесс протекает в обратном направлении. В результате вращения дисков под головками проходят участки поверхности с разной по знаку остаточной намагниченностью. Это приводит к изменениям магнитной индукции в зазоре головки и появлению переменного напряжения на концах ее обмотки. Эти переменные электрические сигналы усиливаются, фильтруются и преобразуются в соответствующие логические уровни. Режим работы головки (запись или считывание) определяется самим накопителем в зависимости от поступивших в него команд.

9.1.4. Механизмы привода головок

В накопителях на жестких дисках головки при перемещениях между внутренними и внешними дорожками описывают дуги относительно большого радиуса. В подавляющем большинстве современных жестких дисков для приведения головок в движение используются приводы с подвижной катушкой (иногда их называют приводами с поворотной катушкой или сервоприводами). В приводах с подвижной катушкой используется тот же принцип, на котором построены аналоговые измерительные приборы: подпружиненная катушка индуктивности располагается в поле постоянного магнита. Электрический ток, протекающий через катушку, взаимодействуете полем постоянного магнита и, в зависимости от своей величины и полярности, порождает усилие, втягивающее или выталкивающее катушку из поля. Рычаги, на концах которых закреплены головки, жестко связаны с катушкой, поэтому момент их вращения прямо пропорционален величине протекающего через катушку тока. Чем больше ток — тем большее усилие возвратной пружины способны преодолеть головки и тем значительнее их отклонение. Переход с одного цилиндра на другой осуществляется за счет увеличения или уменьшения управляющего тока; в дальнейшем он должен поддерживаться на постоянном уровне. Приводы с подвижной катушкой отличаются малыми габаритами и небольшим весом, что позволяет снизить задержки и уменьшить размеры накопителей на жестких дисках.

9.1.5. Двигатель привода дисков

Одним из важнейших факторов, определяющих быстродействие жесткого диска, является скорость, с которой рабочий слой проходит под головками записи/воспроизведения. Она зависит от радиуса дорожки и от частоты вращения магнитных дисков, которая в старых моделях накопителей составляла 3600 об/мин, а в современных устройствах достигает 15.000об/мин. Диски приводятся во вращение шпиндельным двигателем, в качестве которого обычно используется бесконтактный электродвигатель постоянного тока плоской конструкции.

В старых моделях накопителей для стабилизации частоты вращения дисков использовалась отдельная система автоматического регулирования (автоподстройки) с магнитными или оптронными датчиками, закрепленными на валу или роторе двигателя. В современных устройствах сигналы, пропорциональные частоте вращения двигателя, извлекаются из потока считываемых с дисков данных, поэтому подсистема стабилизации частоты вращения связана с подсистемой считывания и декодирования данных. Шпиндельный двигатель и датчики частоты вращения (в старых накопителях) располагаются в изолированном блоке HDA.

9.1.6. Плотность записи

На рабочей поверхности жесткого диска желательно разместить как можно больше информации. Поверхностная плотность записи характеризует максимальную информационную емкость рабочего слоя и измеряется в мегабайтах на квадратный дюйм (MBSI -Mega Bytes per Square Inch). Для рабочих слоев современных жестких дисков, используемых в большинстве компьютеров, эта величина составляет 2500MBS1 и более. Нетрудно понять, что с повышением допустимой плотности записи рабочего слоя при неизменных габаритах накопителей в них удается поместить большее количество информации и наоборот — можно уменьшить размеры жестких дисков без снижения их емкости.

Поверхностная плотность записи зависит от нескольких основных факторов. Ее предельная величина, в первую очередь, определяется размерами ферромагнитных частиц (доменов) рабочего слоя их уменьшение позволяет добиться больших значений поверхностной плотности записи данных. Следующими по значимости факторами являются коэрцитивная сила рабочего слоя и размеры головок записи/воспроизведения точнее, ширина их магнитного зазора. Увеличение коэрцитивной силы позволяет повысить соотношение сигнал/шум при считывании, а уменьшение ширины зазора — более компактный “профиль” поля намагничивания головки в режиме записи, что позволяет уменьшить расстояние между зонами смены знака остаточной намагниченности на поверхности носителя и, следовательно, получить более высокие значения плотности записи. Наконец, плотность записи зависит от толщины воздушной подушки — расстояния между головкой записи/воспроизведения и поверхностью носителя. Чем ближе головка записи/воспроизведения располагается к магнитному слою, тем выше может быть поверхностная плотность записи. Чем толще подушка — тем сильнее сказывается рассеивание магнитного поля, а это приводит к снижению остаточной намагниченности, размыванию границ между зонами смены знака в режиме записи и снижению соотношения сигнал/шум в режиме считывания. В свою очередь, уменьшить толщину подушки и позволить головке записи/воспроизведения “парить” над рабочим слоем на меньшей высоте можно только при повышении качества поверхности носителя. Таким образом, гладкость поверхности магнитного диска является важным фактором, влияющим на плотность записи.