Головки чтения/записи


Головки чтения/записи.




Михаил Тычков aka Hard



Доброго времени суток.

Как известно, жесткий диск состоит из многих сложных устройств и механизмов. Сейчас нас интересуют только головки чтения/записи, а также система привода и управления ими. Представим схематично диски и головки так:

головки чтения/записи

На каждую поверхность каждого диска приходится своя головка. В тот момент, когда комп выключен, головки лежат на внешнем крае дисков, в той области, где нет никакой информации. С включением компа, головки поднимаются. Среднее рабочее расстояние от поверхности диска до головки в среднем примерно 0,1 мкм. Согласитесь, расстояние мизерное. Если учесть тот факт, что рабочее покрытие дисков очень хрупкое (сам пробовал царапать отверткой), а скорость вращения очень высокая (7200 об/мин и выше), то становятся понятны высокие требования фирм-производителей к аккуратности в пользовании жесткими дисками. Наиболее уязвим винт во время работы, хотя скажу Вам, что я видел комп с вмятиной на корпусе от удара ногой во время работы. И ничего, винт выдержал! Но это так, из жизни. А вообще-то, в жестких дисках применяется множество систем и приемов, для продления срока службы. Вот хотя бы такая фича: головки во время работы не касаются дисков, но между ними возникает воздушная подушка, если головка надолго зависает над одной дорожкой в ожидании следующей команды, то через определенное время, автоматически, головки будут передвинуты на произвольно выбранную, но уже другую дорожку. Это делается во избежание износа поверхности диска из-за трения о воздух.

Существует несколько типов головок. Вот они:

    1. Электромагнитные.

    2. Ферритовые.

    3. С металлом в зазоре.

    4. Тонкопленочные.

    5. Магниторезистивные.

Обо всех типах я постараюсь более менее подробно рассказать.

Электромагнитные.

Этот тип головок применялся в первых жестких дисках. Головки представляли собой сердечники с обмоткой. С повышением требований к плотности записи такие головки утратили актуальность, да и размеры их оставляли желать лучшего. Но, не смотря ни на что, электромагнитные головки продержались довольно долго. Больше я на них задерживаться не буду.

Ферритовые.

Этот тип головок изготавливался из прессованного феррита, изготовленного на основе окиси железа. Затем появились стеклоферритовые головки, которые еще назывались композитными. Разница заключалось в том, что ферритовый сердечник заключался в керамический корпус. Сия конструкция позволяла увеличить плотность размещения дорожек (ширина то ферритового сердечника уменьшилась). Упрощенный принцип работы таков: при протекании тока через обмотку, в зазоре появлялось магнитное поле. При изменении напряженности поля вблизи зазора в обмотке наводится электродвижущая сила. Впервые ферритовые головки применила фирма IBM в 1966 году. В принципе и все.

ферритовые головки

С металлом в зазоре (MIG).

Смешное название, мне напоминает что-то типа «с гвоздем в голове» (MIG – Metal-In-Gap, что дословно – метал в зазоре). Но сие название появилось не спроста и идет оно от конструктивных особенностей. Этот тип был разработан на основе композитных головок. Разница в том, что в нерабочий, обратный поверхности диска зазор заполнен металлом, что снижает склонность материала сердечника к магнитному насыщению. В свою очередь, это позволяет повысить магнитную индукцию в зазоре между головкой и диском. Такие головки формируют на поверхности диска намагниченные участки с более выраженными границами, что позволяет использовать более тонкопленочный слой. К тому же, более яркие границы участков уменьшают длину зон перехода от знака к знаку (зона смены знака), а значит, и повысить плотность. В последствии появились двухслойные MIG-головки в которых метал нанесен с обеих сторон сердечника, то есть в нерабочий и в рабочий зазоры. Такая фишка позволила улучшить качества однослойных головок. Следует отметить, что в MIG – головках сердечник меньших размеров, чем в ферритовых, а значит и масса самих головок меньше, а это позволяет уменьшить зазор между дисками и головками.

Тонкопленочные (TF).

Первые тонкопленочные головки появились в 1979 году. Thin Film Heads (так звучит по-английски полное название) произвели небольшую революцию среди головок чтения/записи, так как они производились путем фотолитографии (такой же принцип применяется для производства интегральных микросхем). Это позволяет резко уменьшить размер головок и уменьшить их вес. Более того, конструкция нового типа позволяла 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 зоны смены знака, что позволяет увеличить плотность записи.

тонкопленочные головки

Магниторезистивные (MR).

Появились эти головки в 1990 году благодаря инженерам фирмой IBM (куда ни плюнь, всюду IBM). По сути дела MR (Magneto-Resistive) головки представляют собой симбиоз двух типов головок: магниторезистивная часть предназначена для чтения, а для записи – индуктивная тонкопленочная часть. Почему так? Через MR-головку протекает ток, когда головка проходит над участками диска с разным значением намагниченности ее сопротивление изменяется. А раз меняется сопротивление, то меняется и ток. Вот и все (в упрощенном варианте, конечно). Применение двух типов головок потребовало применение системы изменения зазора во время работы. Дело в том, что для записи зазор должен быть больше, чем для считывания. Это несколько усложнило конструкцию, зато полоса записи во время записи получается немного шире, чем это необходимо для считывания, а значит, уменьшаются помехи от соседних дорожек при чтении.

магниторезистивные головки

Теперь поговорим о приводе головок. Сами головки чтения/записи крепятся на рычагах, которые перемещают их над поверхностью дисков. Рычаги же, в свою очередь приводятся в движение приводом.

головки чтения/записи

Существует два типа привода:

    1. Шаговый двигатель.

    2. Подвижная катушка.

Шаговый двигатель. Если взять в руки такой двигатель и покрутить его за ось, то можно ощутить щелчки. Это и есть шаги, то есть двигатель за один шаг (от щелчка до щелчка) поворачивается на заданный угол. Говоря умным языком, ротор шагового двигателя поворачивается ступенчато. При повороте привода на шаг, рычаг переносит головку от одной дорожки к другой.

шаговый двигатель

Недостаток такого привода в том, что ротор двигателя может останавливаться только в фиксированных положениях. Но при нагреве диски увеличиваются, а значит, дорожки смещаются относительно своего первоначального положения. И вот тут вот начинается геморрой, ведь шаговый двигатель может передвинуть головки только с дорожки на дорожку, а вот скомпенсировать тепловое расширение – нет. Сказать по правде, шаговые двигатели в приводе головок чтения/записи жестких дисков – это анахронизм. Такие винты теперь еще поискать надо.

Подвижная катушка. Здесь все предельно просто в плане передвижения: есть магниты, есть катушка. При подаче тока через катушку, она начинает передвигаться. К ней прикреплены рычаги с головками. Понятно, что фиксированных положений такой привод не имеет, а имеется система позиционирования, которая использует сигнал обратной связи от головки. Она то и задает нужный угол поворота или расстояние для перемещения.

подвижная катушка

Почему я так сказал? А потому, что подвижные катушки бывают двух типов: линейные и поворотные. В линейной катушке головки движутся вдоль радиуса дисков по прямой. Недостаток таких приводов заключается в том, что он довольно громоздок и тяжел. Достоинства: нет необходимости учитывать азимут (угол между плоскостью рабочего зазора и направлением дорожки записи). А вот в поворотной катушке рычаги перемещаются вдоль диска на заданный угол. Так как угол между головками и дорожками на диске постоянно меняется, то его необходимо постоянно учитывать. А это уже недостаток. Зато такой привод легче и быстрее. Почти все современные жесткие диски используют привод с поворотной катушкой.

Ну и напоследок кое-что об обратной связи. Для позиционирования головок применяются специальные сервокоды, записанные с помощью кода Грея (это когда при переходе от одного числа к следующему изменяется только один двоичный разряд, при переходе к предыдущему числу происходит то же самое). По началу эти сервокоды записывались в один клин. Понятно, что такое расположение затормаживает работу винта, так как чтобы считать очередной сервокод, необходимо ждать пока диски сделают оборот. Поэтому стали использовать встроенные сервокоды. Фактически, они записываются перед началом каждого сектора. Теперь нет необходимости ждать целого оборота, что существенно повысило быстродействие жестких дисков. Существует также система со специальным диском. Смысл тут вот в чем: одна поверхность диска предназначена для записи данных, а вторая – для сервокодов и прочей служебной информации. Головки работают в паре. Добавлю, что сервокоды записываются производителем жесткого диска и не стираются даже при низкоуровневом форматировании.

Все. Удачи.

27.02.03

читать еще по теме