5. Магнітні накопичувачі інформації

Для зберігання даних на магнітних пристроях використовують феромагнетики - речовини, що намагнічуються за допомогою постійного магніту чи електромагніту і зберігають стан намагніченості після видалення магніту. Шар магнітного матеріалу наносять на немагнітну основу, яку для магнітних стрічок і гнучких дисків виготовляють з різних пластмас, а для жорстких дисків використовують круглі алюмінієві пластини. Спочатку як магнітний матеріал використовували оксид заліза, а тепер — мікропорошкові магнітні матеріали, які наносять на основу дуже тонкою плівкою (товщина якої кілька мікрометрів) за допомогою гальванопластики або напилювання. Поверх магнітного матеріалу наносять тонкий захисний шар та мастильний шар.

Магнітний шар диска має доменну структуру. Кожний домен — це макроскопічна однорідна намагнічена ділянка феромагнетика, відокремлена від сусідніх ділянок тонкими перехідними шарами (доменними межами). Отже, кожний домен може бути магнітом, що має одну з двох можливих орієнтацій полюсів. Одній з цих орієнтацій можна зіставити значення 1, другій - 0.

Якщо на магнітний домен впливати зовнішнім магнітним полем, то власне магнітне поле домену орієнтується відповідно до напряму зовнішніх магнітних силових ліній. Ця орієнтація зберігається після припинення впливу зовнішнього поля. Для збільшення опору розмагнічуванню і зменшення розмірів доменів використовують нову технологію покриття з антиферомагнітним зв'язком AFC (AntiFerromagnetic Coupled). Покриття AFC складається з двох магнітних шарів, між якими розміщено прошарок парамагнітного матеріалу (матеріалу зі слабкими магнітними властивостями) товщиною всього три атоми, причому домени магнітних шарів утворюють пари з протилежними орієнтаціями полюсів.

Для зчитування даних використовують головки зчитування, а для записування - записуючі головки. Для зчитування і записування даних на дискети і магнітні стрічки (і на старі магнітні диски) використовують загальну феритову головку зчитування-записування, що являє собою залізне осердя з намотаним на нього дротом, тобто електромагніт. Під час зчитування даних намагнічений домен, виявившись у зоні чутливості феритової головки, наводить у ній електричний струм, напрям якого залежить від орієнтації магніту в домені. Для записування даних у феритову головку подається електричний струм, що намагнічує домен і орієнтує його залежно від напряму електричного струму.

Дисководи жорстких магнітних дисків

Сьогодні випускаються декілька десятків типів дисководів жорстких дисків - HDD {Hard Disk Drives), які називають також вінчестерними дисками чи просто вінчестерами. Однак принципи функціонування біль­шості дисководів однакові. Основні елементи конструкції типового дисковода жорстких дисків (рис. 1.6):

• магнітні диски;

• головки зчитування-записування;

• механізм приводу головок;

• двигун приводу дисків;

• гермоблок;

• друкована плата з електронною схемою керування;

• роз’їм.

Рис 1.6. Основні елементи дисковода жорстких дисків: 1 – рознім інтерфейсу; 2 – кожух магніту; 3 – магніт; 4 – рухома котушка; 5 – двигун дисків; 6 – головка зчитування-записування; 7 – диски; 8 – корпус; 9 – важіль головки; 10 – шина контролера; 11 – вісь обертання; 12 – роз’їм електроживлення

Основні характеристики дисководів жорстких дисків:

• ємнісні характеристики;

• тип носія;

• тип підключення;

• використовуваний інтерфейс;

• ємність кеш-пам'яті;

• швидкодія;

• надійність;

• формфактор.

Жорсткий диск має такі самі ємнісні характеристики, що й гнучкий диск: щіль­ність записування, кількість доріжок на одній стороні (іноді вказується кількість ци­ліндрів, що те саме), кількість секторів на одній доріжці, кількість байтів у секторі, кількість сторін (визначається кількістю дисків у дисководі), форматовану і неформатовану ємності.

Перший жорсткий диск (1956 р.) мав ємність 5 Мбайт. Діапазон форматованих ємностей сучасних жорстких дисків - 1...250 Гбайт.

Процес розмічання (форматування) жорстких дисків майже не відрізняється від розмічання дискет. Відмінність полягає в тому, що в результаті форматування дискет інформація повністю знищується, а під час розмічання жорсткого диска перезаписуються тільки мітки формату і знищується таблиця розміщення файлів (якщо не вжити заходів щодо її зберігання).

До форматування жорсткий диск має бути ініційований спеціальною програмою «розмічання низького рівня» (low level format). Натепер таке розмічання виконує тільки виробник жорстких дисків. Розмічання низького рівня дозволяє виявити дефектні ділянки магнітного диска, що не виявляються контрольним зчитуванням після записування пробного блоку даних. У ході такого розмічання доступ до де­фектних ділянок диска закритий, щоб уникнути втрати даних під час експлуатації диска.

Дисководи оснащені змінними і незмінними носіями. Переважна більшість дисководів мають незнімні носії, як це показано на рис. 3.19. Але випускаються і дисководи зі знімними носіями. На відміну від гнучких дисків знімні жорсткі диски мають тверду металеву чи склопластикову основу і виконані за технологією, аналогічною технології виробництва жорстких дисків. Однак відстань між магнітним диском і головкою більша, ніж у класичних дисководах жорстких дисків, тому щільність записування і відповідно загальна ємність дисків менші, ніж у звичайних жорстких дисках. Для захисту від ушкоджень пластину жорсткого диска поміщають у міцний пластмасовий конверт. Пристрій дисковода на змінних жорстких дисках багато в чому ідентичний пристрою дисковода гнучких дисків.

Так, дисковод SyJet використовує змінні картриджі ємністю 1,5 Гбайт. Такий кар­тридж має 2 диски, 4 поверхні, а зчитувальні головки знаходяться зовні, тобто в самому пристрої. Крім інтерфейсу SCSI, внутрішній дисковод можна підключати до інтерфейсу IDE (ATA), а зовнішній - до паралельного порту.

Швидкість обертання диска становить 5400 об/хв, швидкість передавання - від 1,3 Мбайт/с (для паралельного порту) до 7 Мбайт/с для інтерфейсів IDE (ATA) і SCSI, а середній час доступу - 11 м/с.

Ще більш місткий і швидкодіючий дисковод ORB, ємність картриджа якого дорівнює 2,2 Гбайт, а середня швидкість передавання - 12 Мбайт/с. Внутрішній дисковод підключають по інтерфейсах IDE (ATA) і SCSI, а зовнішній - до паралельного порту і порту USB, а також до інтерфейсів SCSI і Fire Wire.

Однак ці дисководи не набули поширення з тих самих причин, що й дисководи гнуч­ких дисків великої ємності, а дисковод цього типу Jaz фірми Iomega взагалі знято з виробництва.

За типом пристрою дисководи жорстких дисків можна поділити на внутрішні та зовнішні. Ще недавно дисководи жорстких дисків (за винятком дисководів зі знімними дисками) були тільки внутрішніми пристроями. Єдиною можливістю перенесення даних за допомогою жорсткого диска було використання мобільного шасі (mobile rack). Шасі вставляли в комп'ютер і підключали до рознімів інтерфейсу й електроживлення. У шасі можна вставляти і виймати переносний контейнер, усередині якого міститься дисковод жорстких дисків, також підключений до рознімів чи інтерфейсу електроживлення контейнера. Під час вставляння контейнера в шасі контакти контейнера та шасі замикаються і дисковод підключається до комп'ютера. Різновид мобільного шасі - переносний контейнер із жорстким диском, підключеним до комп'ютера по інтерфейсу USB 2.O.

Після появи високошвидкісних інтерфейсів USB 2.0 і FireWire почали випускати зовнішні дисководи жорстких дисків. Ці дисководи можна умовно розділити на диско­води малої ємності (1...4 Гбайт) і невеликі дисководи середньої ємності (ЗО...80 Гбайт) розміром, як записна книжка та дисководи великої ємності (100...250 Гбайт) розміром, як невелика книга. Хоча ці дисководи дорожчі від внутрішніх дисководів такої самої ємності, вони незамінні для архівування і перенесення між комп'ютерами з дуже великими обсягами даних.

Для підключення внутрішніх дисководів використовують один з інтерфейсів IDE (ATA), Serial ATA чи SCSI, для підключення зовнішніх дисководів - інтерфейси USB чи FireWire.

Діапазони ємності кеш-пам'яті сучасних дисководів жорстких дисків - від 512 Кбайт до 8 Мбайт.

Швидкодія дисковода жорстких дисків, так само, як і швидкодія дисковода гнучких дисків, залежить від часу доступу до даних і швидкості передавання даних.

Час доступу до даних - це сума часу оброблення команди, що надійшла, часу пошуку потрібної доріжки, часу установлення, тобто часу загасання коливань головки для установлення на потрібну доріжку і часу обертання, тобто часу підведення потрібного сектора під головку.

Як середній час пошуку в паспортних даних дисковода часто вказують часовий інтервал, потрібний для переміщення магнітних головок на відстань, що дорівнює одній третині ширини зони записування даних на диску. Нові високо ємнісні дисководи мають середній час пошуку 8,5...12 м/с.

Як швидкість передавання даних для дисководів жорстких дисків зазвичай на­водять максимальну швидкість, забезпечувану інтерфейсом підключення дисковода до комп'ютера. Реальна швидкість передавання даних залежить, крім інтерфейсу, також від швидкості обертання, щільності записування даних і ємності кеш-пам'яті. Стандарт швидкості обертання дисків сучасних дисководів становить 7200 об/хв, але для деяких дисководів вона досягає 10 000 і навіть 15 000 об/хв. Щільність записування в дисководах становить 1 Гбайт/см², а реальна швидкість передавання даних для зчитування-записування файлів (за результатами тестів) -15...80 Мбіт/с.

Для підвищення надійності більшості сучасних дисководів гермоблоки жорстких дисків комплектуються протиударною підвіскою. Між корпусом дисковода і монтажним каркасом поміщають спеціальні прокладки з еластичної гуми (чи полімерного матеріалу), що компенсують (частково чи повністю) удари і вібрацію. Однією з найважливіших характеристик надійності дисковода жорстких дисків є «опір удару» (shock resistance) - максимальне допустиме ударне прискорення (сила удару), за якого дисковод залишається працездатним. Цю характеристику вимірюють в одиницях, кратних g - прискоренню вільного падіння. Зазвичай наводять дві характеристики опору удару - для ввімкненого і вимкненого станів (у вимкненому стані допустиме прискорення зазвичай в кілька десятків разів більше). Внутрішні дисководи у вимкненому стані витримують прискорення до декількох десятків g (у разі падіння на бетон з ви­соти 10 см навантаження дорівнює близько 70 g), а зовнішні - до 100...200 g. У ввім­кненому стані дисководи жорстких дисків витримують прискорення порядку оди­ниць g (легкі поштовхи). Деякі моделі протиударні і в разі виявлення неприпустимого прискорення зупиняють передавання даних і фіксують блок головок у паркувальній позиції.

Фізичні розміри жорстких дисків визначають формфактором. Тепер майже у всіх настільних комп'ютерах використовують жорсткі диски розміром (формфактором) 3,5 дюйма. Такий дисковод має стандартні розміри корпусу 41,6 х 101 х 146 мм. Для портативних комп'ютерів використовують переважно жорсткі диски з формфактором 2,5 дюйма (їх розміри 70,1 х 19,05 х 101,9 мм) і формфакторами менших розмірів (1,7 чи 1 дюйм).