HDD kietųjų diskų sandara

HDD (Hard Disk Drive) – kompiuterio kietasis diskas. Tai pagrindinė kompiuterio informacijos saugykla. Pirmą kartą HDD įrenginiai buvo panaudoti 1983m. IBM PC XT kompiuteriuose. HDD įrenginiai turi keletą esminių konstrukcijos skirtumų lyginant su FDD įrenginiais:

1. HDD įrenginiai informacijos įrašymui naudoja diskus su kietu pagrindu, pagamintu iš aliuminio arba stiklo ir keramikos. Tuo tarpu FDD diskelių magnetinio disko pagrindas yra lanksti plona plėvelė, pagaminta iš plastmasės. Todėl HDD ir gavo savo pavadinimą – kietieji diskai. Tiksliau juos reiktų vadinti kietosios plokštelės, o FDD diskelius - minkštosios plokštelės.

2. Priešingai nei FDD įrenginiuose, kietųjų diskų skaitymo-rašymo galvutės neliečia magnetinių diskų paviršiaus, o pasinaudodami aerodinamine pakilimo jėga skraido virš magnetinio paviršiaus 0,1 -0,5 mkm atstumu.

3. HDD magnetiniai diskai yra patalpinti į apsaugantį nuo dulkių hermetinį korpusą ir kartu su HDD įrenginio mechanika ir elektronika sudaro nedalomą visumą. Plokštelės (magnetiniai diskai), ašis, ašinis varikliukas, galvučių pavara ir skaitymo/rašymo galvutės visos jos patalpintos ertmėje kuri vadinasi galvučių diskų surinkimas (montažas), angliškai head disk assembly (HDA), liaudyje dar vadinama „bonkė, skardinė“, dėl to kad ji yra hermetiška kaip ir konservų skardinė. HDA išorėje yra elektronikos logikos plokštė, kuri valdo vidinių dalių judėjimą , ir valdo duomenų judėjimą į/iš įrenginio.

4. HDD įrenginiai gali naudoti ne vieną magnetinį diską kaip FDD, o kelis užmautus ant vienos ašies diskus. HDD įrenginiuose buvo naudojama iki 10 disku. Dabartiniuose HDD įrenginiuose paprastai naudojama 1-3 diskai. Dėka šių konstrukcijos savybių HDD gali pasiekti didelį duomenų tankumą ir skaitymo-rašymo greitį. Šiuolaikinių diskų informacijos tankumas siekia iki 60GB į vieną 3,5” magnetinio disko paviršių. HDD įrenginių diskų apsukos pasiekė 15000rpm, o vidinis duomenų perdavimo greitis 100MBps. Viduje kietas diskas turi tokias pagrindines dalis: Magnetiniai diskai , Pozicionavimo kontroleris , Variklio špindelis, Oro filtras, Skaitymo–rašymo galvutės, Pozicionavimo ritė, Galvucių blokas, Korpusas, Variklis.

HDD įrenginio konstrukcija susideda iš šių elementų:

0. Ašis(špindelis) ir ašinis varikliukas. Magnetinės plokštelės įrenginyje atskirtos disko tarpikliu (arba skirtuku) ir yra užgnybtos besisukančiu špindeliu, kuris suka visas plokšteles kaip vieną paketą (sutartinai). Špindelinis varikliukas (lietuviškai suklys arba ašinis varikliukas) yra įstatytas tiesiai į veleną jo apačioje ir suka plokšteles pastoviu greičiu, nuo 3600, 7200, 10000, 15000 apsukų per minutę. Varikliukas yra prijungtas prie atgalinio ryšio kilpos (kontūro) tam kad jis suktusi tiksliai jam numatytu greičiu.

1. Variklis suka magnetinių diskų paketą ir užduoda apsukų greitį. Magnetiniai diskai kietai užmaunami ant variklio ašies - špindelio.

2. Magnetiniai diskai (plokštelės) . Plokštelės yra tikrieji diskai įrenginio viduje, kurie saugo magnetinius duomenis. Įprastai plokštelės yra daromos iš lengvojo aliuminio lydinio ir dengiamos magnetine medžiaga, tokia kaip feritinis mišinys, kuris skystoje būsenoje tolygiai purškiamas per plokšteles, arba kaip plonos metalinės plėvelės, kurios yra uždedamos ant plokštelės naudojant elektrodengimą, tokiu pat būdu kaip ir yra gaminamas chromas. Naujesnė technologija naudoja stiklo ir/arba keramines plokšteles, dėl to kad jos gali būti pagamintos plonesnės, ir taipogi jos labiau atsparios karščiui. Magnetinis sluoksnis esantis ant plokštelių turi mažus įmagnetintus domenus (grūdus) kurie orientuoti laikyti duomenis, kurie perduodami per rašymo/skaitymo galvutes. Dauguma įrenginių turi dvi plokšteles ir kuo didesnė talpa, tuo daugiau plokštelių jie turi. Kiekviena plokštelė įmagnetinta kiekvienoje pusėje, taigi įrenginys su dviem plokštelėmis turi 4 puses duomenų saugojimui.
Į magnetinius diskus įrašoma informacija. Magnetinį diską sudaro kietas pagrindas ant kurio užpurškiama magnetinė danga. Disko pagrindas gaminamas iš aliuminio lydinio arba stiklo ir keramikos. Šiuolaikiniai diskai naudoja AFC (AntiFerromagnetically Coupled) dangą. Magnetinė diskų danga susideda iš trijų sluoksnių: dviejų magnetinių sluoksnių, tarp kurių patalpintas kelių atomų storio paramagnetinės medžiagos sluoksnis. Kaip paramagnetinė medžiaga naudojamas rutenis (Ru). Dviejų atskirtų magnetinių sluoksnių domenai sudaro poras su priešingais įmagnetinimo vektoriais, kas smarkiai padidina atsparumą išmagnetinimui prie minimalių domenų matmenų. Tai leidžia smarkiai sumažinti magnetinių dalelių dydį (kurios vadinamos magnetiniais grūdais) ir padidinti informacijos įrašymo tankumą, o tuo pačiu ir diskų talpumą. Atskiri diskai surenkami į diskų paketą taip, kad butų išvengta bet kokių diskų plokštelių prasisukimų vienas kito atžvilgiu.

3. Skaitymo-rašymo galvutės . Atlieka informacijos nuskaitymą ir įrašymą iš magnetinių diskų paviršiaus. Kiekvienas magnetinis paviršius turi savo kombinuotą skaitymo/rašymo galvutę. Galvutės apjungiamos į paketą ir pozicionuojamos sinchroniškai. Vienu metu aktyvi būna tik viena galvutė. Darbo eigoje galvutės neliečia disko paviršių o skraido virš jo pasinaudodamos aerodinamine pakilimo jėga. Pakilimo jėga susidaro, kai greitai besisukantis diskai užgriebia oro molekules esančias arti jų paviršiaus (taigi tam tikras oro kiekis turi būti normaliam galvučių darbui, nes kai kas galvoja kad disko viduje yra vakuumas, tik šis oras arba dujos turi būti pakankamai švarus). Darbinis plyšis tarp galvutės ir disko paviršiaus sudaro 0,1-0,5 mkm. Todėl bet kokia dulkės dalelė papuolusi tarp galvutės ir paviršiaus gali sugadinti kaip paviršių, taip ir hdd galvutę. Galvutės liečiasi su diskų paviršiumi tik parkavimo zonoje. Tai specialus takelis, esantis arčiausiai disko centro, ant kurio leidžiasi galvutė kai HDD įrenginys baigia darbą. Darbo pradžioje, kai disko apsukos pasiekia maždaug pusę nominalaus greičio, galvutės atsiplėšia (pakyla) nuo disko paviršiaus. Pakilimo / nusileidimo metu kietųjų diskų galvutės patiria nusidėvėjimą. Todėl norint prailginti disko eksploatacijos laiką patariama nesinaudoti HDD įrenginiu maitinimo išjungimo galimybe darbo pauzėse (BIOS ACPI funkcijos), nes tai padidina parkavimo procedūrų skaičių ir pagreitina galvučių nusidėvėjimą. Magnetinių diskų galvutės dirba magnetiniu-rezistyviniu principu. Tokios galvutės skaitymo elementas – speciali plona plėvelė, kuri keičia savo varžą priklausomai nuo magnetinių domenų orientacijos. Šiuolaikinių HDD įrenginių galvutės naudoja patobulintą magnetinio – rezistyvinio efekto versiją – GMR (Giant Magnetic Rezistance). Tai leidžia padidinti skaitymo galvučių jautrumą.

4. Pozicionavimo mechanizmas . Atlieka galvučių pozicionavimą į reikiamą takelį. Pozicionavimo mechanizmas susideda iš pozicionavimo ritės, galvučių bloko ir pozicionavimo kontrolieriaus. Pirmieji HDD įrenginiai galvučių pozicionavimui naudodavo žingsninius variklius. Bet dėl nepakankamo pozicionavimo greičio šie varikliai buvo pakeisti pozicionavimo ritėmis. Pozicionavimo ritės veikimo principas tas pats kaip ir garsiakalbio ritės.Todėl užsienio techninėje literatūroje pozicionavimo ritei naudojamas terminas - Voice Coil - elektromagnetinė ritė kietai sujungta su galvučių blokų ir patalpinta į pastovų magnetinį lauką. Padavus į ritę elektros srovę jinai juda, tuo pačiu pozicionuodama galvutes. Tam, kad būtų pasiektas reikiamas pozicionavimo tikslumas naudojamas grįžtamojo ryšio signalas, kuris turi informaciją apie takelių ir galvučių tarpusavio padėtį. Pozicionavimo kontroleris apdoroja grįžtamojo ryšio signalą. Šiam tikslui į disko paviršių tarp sektorių įrašomos specialios žymės – servo informacija. Servo informacija įrašoma gamyklose specialių stendų pagalba. Specialiuos “Disk Manager” tipo žemo lygio formatavimo programos neatstato servo informacijos. Sugadinus servo informaciją HDD įrenginys yra nepataisomai sugadinamas. Šiuolaikiniai HDD įrenginiai maždaug kas pusvalandį atlieka termokalibravimą (T-cal). Tai reikalinga tam, kad būtų galima pakoreguoti pozicionavimo paklaidą, atsiradusią dėl temperatūrinio medžiagų plėtimosi.

5. Oro filtras . Skirtas oro valymui nuo dulkių. HDD įrenginys turi angą, skirtą oro slėgio išlyginimui HDD išorėje ir viduje. Oro filtras neleidžia patekti dulkėms per tą angą į HDD vidų.

6. Elektronikos plokštė . Atlieką HDD mechanikos valdymą ir ryšį tarp kietojo disko ir kitų kompiuterio komponentų. Elektronikos plokštė montuojama HDD įrenginio apatinėje dalyje. Šiuolaikiniai HDD įrenginiai be kontrolerių naudoja dar ir buferinę atmintį. Tai leidžia sumažinti DMA kanalo naudojimo laiką. Nes dabar dideli duomenų paketai gali būti talpinami į buferinę atmintį ir nereikia laukti kol HDD mechanika atliks skaitymo – rašymo operacijas iki galo.

7. Korpusas . Hermetiškas korpusas apsaugo HDD įrenginio diskus nuo dulkių. HDD įrenginiai surenkami technologiškai švariose patalpose. Kategoriškai draudžiama ardyti kietojo disko korpusą. Nuėmus kietojo disko korpuso apsauginį gaubtą ne pritaikytose tam reikalui patalpose HDD įrenginys yra negrįžtamai sugadinamas. Įprastinėmis sąlygomis viename oro dm3 yra apie 3000-5000 dalelių dulkių, didesnių kaip 1mkm. Technologiškai švarios patalpos nurodo reikalavimus ne daugiau vienos dulkės į oro dm3. Tokį švarų kambarį turi UAB MATRIX, vienintelė Pabaltijo ir Lenkijos šalyse.

8. Galvučių pavara (The Head Actuator) arba pozicionavimo mechanizmas
Visos galvutės prijungtos prie vienos galvučių pavaros (ang. head actuator, galvučių aktuatorius), arba pavaros rankenos, kuri judina galvutes aplink plokšteles (magnetinius diskus). Seni modeliai naudodavo žingsninio varikliuko pavarą, kuri judindavo galvutes pagal varikliuko atsiliepimą į žingsnio pulsus. Kiekvienas pulsas judindavo pavarą virš plokštelių numatytais žingsniais. Žingsninių varikliukų pavaros (aktuatoriai) nenaudojami šiuolaikiniuose įrenginiuose, toldėl kad jie linkę į išlyginimo bėdas ir yra labai jautrūs karščiui. Šiuolaikiniai kieti diskai naudoja garso ritės pavaras, kurios valdo ritės judėjimą link arba nuo pastovaus magneto, pagal srovę kuri leidžiama per ją. Ši nurodymo (pozicionavimo) sistema vadinasi servo.

Paruošė: mister