Як працює вінчестер

Типовий вінчестер складається з гермоблока і плати електроніки. В гермоблоке розміщені всі механічні частини, на платі – вся керуюча електроніка, за винятком передпідсилювача, розміщеного всередині гермоблока в безпосередній близькості від головок. У далекій від роз’ємів частини гермоблока встановлений шпиндель з одним або декількома дисками. Диски виготовлені частіше з алюмінію, рідше – з кераміки або скла, і покриті тонким шаром окису хрому, яка має істотно більшу зносостійкість, ніж покриття на основі окису заліза у ранніх моделях. Під дисками розташований двигун – плоский, як у floppy-дисковод, або вбудований в шпиндель дискового пакету. При обертанні дисків створюється сильний потік повітря, що циркулює по периметру гермоблока і постійно очищається фільтром, встановленим на одній з його сторін. Ближче до роз’ємів, з лівого або правого боку від шпинделя, знаходиться поворотний позиціонер, кілька нагадує по виду баштовий кран: з одного боку осі, знаходяться звернені до дисків тонкі, довгі і легкі несучі магнітних головок, а з іншого – короткий і більш масивний хвостовик з обмоткою електромагнітного приводу. При поворотах коромисла позиціонера головки здійснюють рух по дузі між центром і периферією дисків. Кут між осями позиціонера і шпинделя підібраний разом з відстанню від осі позиціонера до головок так, щоб вісь голівки при поворотах як можна менше відхилялася від дотичній доріжки. В більш ранніх моделях коромисло було закріплено на осі крокового двигуна, і відстань між доріжками визначався величиною кроку. У сучасних моделях використовується так званий лінійний двигун, який не має якої-небудь дискретності, а установка на доріжку здійснюється по сигналах, записаних на дисках, що дає значне збільшення точності приводу і щільності запису на дисках. Обмотку позиціонера оточує статор, що представляє собою постійний магніт. При подачі в обмотку струму певної величини і полярності коромисло починає повертатися у відповідну сторону з відповідним прискоренням; динамічно змінюючи струм в обмотці, можна встановлювати позиціонер в будь-яке положення. Така система приводу отримала назву Voice Coil (звукова котушка) – за аналогією з дифузором гучномовця. На хвостовику зазвичай розташована так звана магнітна засувка – маленький постійний магніт, який при крайньому внутрішньому положенні головок (landing zone – посадочна зона) притягається до поверхні статора і фіксує коромисло в цьому положенні. Це так зване паркувальне положення головок, які при цьому лежать на поверхні диска, стикаючись з нею. У ряді дорогих моделей (зазвичай SCSI) для фіксації позиціонера передбачений спеціальний електромагніт, якір якого у вільному положенні блокує рух коромисла. У посадкової зоні дисків інформація не записується. В останньому вільному просторі розміщений передпідсилювач сигналу, знятого з головок, і їх комутатор. Позиціонер з’єднаний з платою передпідсилювача гнучким стрічковим кабелем, проте в окремих вінчестерах (зокрема – деякі моделі Maxtor AV) харчування обмотки підведено окремими одножильными проводами, які мають тенденцію ламатися при активній роботі. Гермоблок заповнений звичайним обеспиленою повітрям під атмосферним тиском. У кришках гермоблоков деяких вінчестерів спеціально робляться невеликі вікна, заклеєні тонкою плівкою, які служать для вирівнювання тиску всередині і зовні. У ряді моделей вікно закривається повітропроникним фільтром. У одних моделей вінчестерів осі шпинделя і позиціонера закріплені лише в одному місці – на корпусі вінчестера, в інших вони додатково кріпляться гвинтами до кришки гермоблока. Другі моделі більш чутливі до мікродеформації при кріпленні – досить сильного затягування кріпильних гвинтів, щоб виник неприпустимий перекіс осей. У ряді випадків такий перекіс може стати труднообратимым або незворотних зовсім. Плата електроніки – знімна, підключається до гермоблоку через один-два роз’єми різної конструкції. На платі розташовані основний процесор вінчестера, ПЗУ з програмою, робоче ОЗУ, яке зазвичай використовується в якості дискового буфера, цифровий сигнальний процесор (DSP) для підготовки записуваних і обробки лічених сигналів, і інтерфейсна логіка. На одних вінчестерах програма процесора повністю зберігається в ПЗУ, на інших певна її частина записана в службовій області диска. На диску також можуть бути записані параметри накопичувача (модель, серійний номер тощо). Деякі вінчестери зберігають цю інформацію в електрично репрограммируемом ПЗУ (EEPROM). Багато вінчестери мають на платі електроніки спеціальний технологічний інтерфейс з роз’ємом, через який за допомогою стендового устаткування можна виконувати різні сервісні операції з накопичувачем – тестування, форматування, перепризначення дефектних ділянок і т. п. У сучасних накопичувачів марки Conner технологічний інтерфейс виконаний у стандарті послідовного інтерфейсу, що дозволяє підключати його через адаптер до алфавітно-цифрового термінала або COM-порту комп’ютера. В ПЗУ записана так звана тест-моніторна система (ТМОС), яка сприймає команди, що подаються з терміналу, виконує їх і виводить результати назад на термінал. Ранні моделі вінчестерів, як і гнучкі диски, виготовлялися з чистими магнітними поверхнями; початкова розмітка (форматування) проводилася споживачем на його розсуд, і могла бути виконана будь-яку кількість разів. Для сучасних моделей розмітка проводиться в процесі виготовлення; при цьому на диски записується сервоинформация – спеціальні мітки, необхідні для стабілізації швидкості обертання, пошуку секторів і стеження за положенням головок на поверхнях. Не так давно для запису сервоинформации використовувалася окрема поверхню (dedicated – виділена), за якою налаштовувалися головки усіх інших поверхонь. Така система вимагала високої жорсткості кріплення головок, щоб між ними не виникало розбіжностей після початкової розмітки. Нині сервоинформация записується в проміжках між секторами (embedded – вбудована), що дозволяє збільшити корисну місткість пакету і зняти обмеження на жорсткість рухомої системи. У деяких сучасних моделях застосовується комбінована система стеження – вбудована сервоинформация в поєднанні з виділеною поверхнею; при цьому груба настройка виконується по виділеній поверхні, а точна – з вбудованим мітках. Оскільки сервоинформация являє собою опорну розмітку диска, контролер вінчестера не в змозі самостійно відновити її в разі псування. При програмному форматування такого вінчестера можлива тільки перезапис заголовків і контрольних сум секторів даних. При початковій розмітці і тестуванні сучасного вінчестера на заводі майже завжди виявляються дефектні сектори, які заносяться в спеціальну таблицю перепризначення. При звичайній роботі контролер вінчестера підміняє ці сектори резервними, які спеціально залишаються для цієї мети на кожній доріжці, групі доріжок або виділеній зоні диска. Завдяки цьому новий вінчестер створює видимість повної відсутності дефектів поверхні, хоча насправді вони є майже завжди. При включенні живлення процесор вінчестера виконує тестування електроніки, після чого видає команду включення шпиндельного двигуна. При досягненні деякої критичної швидкості обертання щільність увлекаемого поверхнями дисків повітря стає достатньою для подолання сили притиску головок до поверхні і підняття їх на висоту від часток до одиниць мікрон над поверхнями дисків – головки “спливають”. З цього моменту і до зниження швидкості нижче критичної головки “висять” на повітряній подушці і зовсім не стосуються поверхонь дисків. Після досягнення дисками швидкості обертання, близької до номінальної (зазвичай – 3600, 4500, 5400 або 7200 об/хв) головки виводяться із зони паркування і починається пошук сервометок для точної стабілізації швидкості обертання. Потім виконується зчитування інформації з службової зони – зокрема, таблиці перепризначення дефектних ділянок. На завершення ініціалізації виконується тестування позиціонера шляхом перебору заданої послідовності доріжок – якщо воно проходить успішно, процесор виставляє на інтерфейс ознака готовності і переходить в режим роботи по інтерфейсу. Під час роботи постійно працює система стеження за положенням головки на диску: з безперервно считываемого сигналу виділяється сигнал розузгодження, який подається в схему зворотного зв’язку, що управляє струмом обмотки позиціонера. В результаті відхилення головки від центру доріжки в обмотці виникає сигнал, який прагне повернути її на місце. Для узгодження швидкостей потоків даних – на рівні зчитування/запису і зовнішнього інтерфейсу – вінчестери мають проміжний буфер, часто помилково званий кешем, обсягом зазвичай у кілька десятків або сотень кілобайт. У ряді моделей (наприклад, Quantum) буфер розміщується в загальному робочому ОЗУ, куди спочатку завантажується оверлейная частина мікропрограми керування, чому дійсний об’єм буфера виходить меншим, ніж повний обсяг ОЗП (80-90 кб при ОЗУ 128 кб у Quantum). У інших моделей (Conner, Caviar) ОЗУ буфера і процесора зроблені роздільними. При відключенні живлення процесор, використовуючи енергію, що залишилася в конденсаторах плати або витягуючи її з обмоток двигуна, який при цьому працює як генератор, видає команду на установку позиціонера в парковочне положення, яка встигає пройти до зниження швидкості обертання нижче критичної. У деяких вінчестерах (Quantum) цьому сприяє поміщене між дисками пружна коромисло, постійно відчуває тиск повітря. При ослабленні повітряного потоку коромисло додатково штовхає позиціонер в парковочне положення, де той фіксується засувкою. Руху головок в бік шпинделя сприяє також доцентрова сила, що виникає із-за обертання дисків.