Budowa dysków magnetycznych. Budowa FDD i HDD - konspekt lekcji

Konspekt do lekcji: Urządzenia techniki komputerowej.

Temat lekcji: Budowa dysków magnetycznych. Budowa FDD i HDD.

Czas: 6 godzin lekcyjnych.
Cele dydaktyczne: Zapoznanie uczniów z budową i zasadą działania dysków magnetycznych.
Cele kształcące: Uczniowie po lekcji powinni umieć:
- Omówić budowę i zasadę działania dysku twardego;
- Znać najważniejsze parametry techniczne dysków twardych dostępnych obecnie na rynku;
- Znać mechanizm sterowania stacji dysków elastycznych;
- Wyjaśnić na czy polega metoda odczytu PRML (funkcja S.M.A.R.T);
Metoda: Wykład, pogadanka, pokaz.
Środki dydaktyczne: Tablica, kreda, prezentacja multimedialna.


Przebieg lekcji:

1. Sprawy organizacyjne.
- sprawdzenie listy obecności;
- zapisanie tematu na tablicy;
- podanie nowego materiału;
- podsumowanie.

2. Podanie tematu i jego uzasadnienie.
Uczniowie poznają budowę i zasadę działania dysku twardego, elastycznego. Potrafią wybrać dysk o odpowiednich parametrach spośród dostępnych na rynku.

3. Rozwinięcie tematu.
Budowa dysku twardego
W stacjach dysków elastycznych głowica odczytu-zapisu jest przekładana bezpośrednio do wirującego dysku. Z tego powodu, stosowane prędkości obrotowe są niewielkie, a więc i szybkości zapisu/odczytu są ograniczone. Dyski twarde zostały tak nazwane z powodu swej sztywnej konstrukcji. Są one umieszczone w odpowiednio skonstruowanym pyłoszczelnym zespole napędowym, zawierającym ponadto układy sterowania silnikiem napędu dysków, silnikiem przesuwu głowic (pozycjonerem), układy sterowania głowicami zapisu, układy odczytu oraz inne układy sterujące i kontrolne zespołu napędowego. Na ogół nie ma tu możliwości wymiany dysków. Dysk twardy odróżniają od dysku elastycznego następujące cechy:
• głowica odczytu-zapisu, nie dotyka dysku w czasie pracy, jest bowiem utrzymywana w małej odległości od niego (mniejszej niż 1 mm) na poduszce powietrznej powstającej automatycznie na skutek ruchu obrotowego
• prędkość obrotowa dysku jest bardzo duża, dzięki temu osiąga się duże prędkości transmisji danych (MB/s)
• ponieważ dysk twardy jest niewymiennym nośnikiem danych, można go dokładnie wycentrować i osiągnąć przy tym dużą liczbę ścieżek, czyli dużą pojemność.
Najważniejsze parametry techniczne dysków twardych, dostępnych obecnie na rynku:
• pojemność (od kilkuset MB do kilkunastu GB),
• liczba głowic odczytu/zapisu (od kilkunastu do kilkudziesięciu),
• liczba cylindrów (od 615 do kilku tysięcy) - ścieżki o tych samych numerach na powierzchniach roboczych dysków nazywane są cylindrami,
• średni czas dostępu (kilka milisekund) - na średni czas dostępu (ang. Average Access Time) składają się dwa elementy: średni czas poszukiwania potrzebny do umieszczenia głowicy w wybranym cylindrze (ang. Average Seek Time) oraz opóźnienie rotacyjne potrzebne do umieszczenia głowicy nad odpowiednim sektorem ang. Rotational Latency), które przy szybkości dysków równej 3600 obr/min wynosi
ok. 8 milisekund,
• prędkość obrotowa dysku (4500, 5400, 7200 obrotów na minutę),
• szybkość transmisji danych (kilka tysięcy kilobajtów/sekundę),
• zasilanie (+12 V, +5 V),
• moc pobierana (od kilku do kilkunastu watów).
Napęd dysków twardych (ang. Hard Disk Drive, HDD) łączony jest z systemem mikroprocesorowym (z płytą główną) poprzez sterownik dysku twardego (ang. Hard Disk Controller, HDC) za pomocą interfejsu HDD. Obecnie firmy produkujące pamięci masowe, proponują dwa typy interfejsów łączące dyski twarde z sterownikami interfejs E-IDE oraz SCSI. Oczywiście każdy z wymienionych tu interfejsów wymaga innego sterownika i innego dysku twardego.

Większość dysków twardych składa się z następujących komponentów: obudowy, pozycjonera głowicy ramion głowic, głowic odczytu/zapisu oraz kilku dysków. Każdemu dyskowi pamięci przyporządkowany są dwie głowice (dla jego dolnej i górnej powierzchni). Głowice utrzymywane są na sprężynujących ramionach, przy czym wszystkie ramiona są ze sobą połączone i poruszają się synchronicznie napędzane pozycjonerem. W stanie spoczynku głowice znajdują się na ścieżce parkującej dysku. W momencie gdy dysk zaczyna wirować, poduszka powietrzna wytworzona przy powierzchni, unosi głowice na wysokość mniejszą niż 1 mikrometr. Zadaniem pozycjonera jest przemieszczanie głowic na wybrany cylinder. Pozycjonery zbudowane w oparciu o silnik liniowy (elektromagnetyczny), same parkują głowice po wyłączeniu zasilania, gdyż sprężyna automatycznie odciąga je do położenia parkowania.
Praca z dyskiem twardym jest możliwa dopiero wtedy, gdy zostanie on sformatowany. Formatowanie polega na podziale dysku na ścieżki i sektory. Jest to tzw. formatowanie niskiego poziomu lub formatowanie fizyczne.

Najważniejsze parametry dysku, interesujące użytkownika to:
• pojemność dysku,
• szybkość transmisji (tzw. transfer),
• średni czas dostępu.
Na systematyczny wzrost pojemności, produkowanych współcześnie dysków, mają wpływ coraz większe gęstości upakowania informacji na jednostkę powierzchni, dzięki coraz doskonalszym nośnikom magnetycznym, głowicą zapisu/odczytu oraz ciągle ulepszanym metodą kodowania zapisanych danych. Współczesne dyski osiągają gęstość upakowania wynoszącą 1 gigabit na cal kwadratowy.
W nowoczesnych konstrukcjach zastosowano nowy zespół zapisu/odczytu, składający się z cienkowarstwowej magnetycznej głowicy zapisu, wyposażonej w miniaturową cewkę o niewielkiej indukcyjności (więc o małej bezwładności) oraz z magnetorezystywnej (MR) głowicy odczytu, w której wykorzystywane są zmiany rezystancji specjalnego materiału magnetycznego pod wpływem zmian pola magnetycznego. Głowice MR posiadają zdecydowanie większą czułość od głowic tradycyjnych z cewkami, mogą więc odczytać słabsze pola magnetyczne (pochodzące od mniejszych, bardziej upakowanych domen).
Metoda odczytu PRML
Dotychczasowe metody odczytu informacji z dysku polegały na wykrywaniu wierzchołków odczytywanych sił elektromotorycznych (tzw. Peak Detection). Przy wysokiej gęstości zapisu oraz dużej prędkości obrotowej dysków mogą powstawać zniekształcenia tych wierzchołków.

Nowa metoda odczytu - zwana metodą PRML pozwala bezbłędnie rozpoznać szczyt sygnału sem mimo występujących zakłóceń. Metoda ta wykorzystuje dwa mechanizmy: Partial Response i Maximum Likelihood. Technika Partial Response polega na próbkowaniu analogowego sygnału odczytywanego przez głowicę MR za pomocą przetwornika A/C. Na podstawie uzyskanych próbek specjalny układ wyposażony w procesor DSP, korzystając z metody największego prawdopodobieństwa (Maximum Likelihood)określa miejsce położenia wierzchołka sem. Dzięki tej nowej technologii możliwe jest zmniejszenie wymiarów domen magnetycznych a więc wzrost gęstości zapisu, a co za tym idzie wzrost pojemności dysku. We współczesnych dyskach, dla efektywnego wykorzystania ich powierzchni, co wiąże się ze zwiększeniem pojemności, ścieżki zewnętrzne dzielone są na większą liczbę sektorów, gdyż mogą pomieścić większą ilość informacji (te ścieżki są po prostu dłuższe), a ścieżki leżące bliżej środka dysku zawierają mniej sektorów. Technika ta nosi nazwę Zone Bit Recording - ZBR. Stąd też na tych dyskach liczba sektorów na ścieżkę nie jest wartością stałą.
Następny niezwykle ważny parametr - szybkość transmisji - jest funkcją prędkości obrotowej dysków, która osiąga we współczesnych konstrukcjach aż 7200 obrotów na minutę. Obliczmy chwilową szybkość transmisji dla hipotetycznego dysku wirującego z szybkością 7200 obr/min (120 obr/sek) i posiadającego 100 sektorów 512 bajtowych na zewnętrznej ścieżce:
120 (obr/sek) x 100 (sektorów) x 512 (bajtów) = 6000 KB/s. Przy prędkości obrotowej 4500 obr/min szybkość transmisji wyniosłaby 3750 KB/s. Od prędkości obrotowej dysków zależy również opóźnienie (ang. Latency) w dostępie do wybranego sektora. Im większa prędkość wirowania dysku tym krótsze opóźnienie rotacyjne. Ważnym parametrem jest czas przejścia głowicy ze ścieżki na ścieżkę, zwłaszcza przy transmisji dużych plików. Dlatego też konstruktorzy dysków nieznacznie opóźnili początki kolejnych ścieżek, tak by po przeczytaniu całej ścieżki głowica zdążyła przesunąć się na ścieżkę następną i trafić na jej początek (technika ta nosi nazwę Cylinder Skewing).
Większość współczesnych dysków dysponuje już nową funkcją,
tzw. S.M.A.R.T. (ang. Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology) polegającą na tym, że elektronika dysku monitoruje i analizuje oraz raportuje stan urządzenia (np. wysokość lotu głowicy, czas uzyskania nominalnej prędkości obrotowej, itd.). Jeśli następuje degradacja tych wielkości, układy kontroli wysyłają wtedy ostrzeżenie do użytkownika że dysk może ulec uszkodzeniu.
Sterowanie dyskami przez procesor odbywa się za pomocą grupy rejestrów, umieszczonych na płytce sterownika HDC lub na dysku twardym, o ściśle określonych adresach. Konstruktorzy IBM zarezerwowali do tego celu dwa obszary (1F0...1F7 i 170...177) w przestrzeni adresowej wejścia/wyjścia (I/O). Rejestry te przechowują następujące informacje:

Adres portu 1
Adres portu 2 Operacja odczytu Operacja zapisu
1F0 170 Rejestr danych Rejestr danych
1F1 171 Rejestr błędu Rejestr prekompens
1F2 172 Licznik sektorów Licznik sektorów
1F3 173 Numer sektora Numer sektora
1F4 174 Młodszy bajt nr cylindra Młodszy bajt nr cylindra
1F5 175 Starszy bajt nr cylindra Starszy bajt nr cylindra
1F6 176 Rejestr SDH Rejestr SDH
1F7 177 Rejestr statusu Rejestr statusu

Rejestr SDH - zawiera informacje o rozmiarze sektora, numerze HDD, głowicy. Poza tymi rejestrami kontroler dysku twardego wykorzystuje dwa dodatkowe porty: port wyjściowy 3F6 (376), służący do włączenia/wyłączenia IRQ 14, zerowania sterownika HDC i wyboru RWC/H.Sel 3 oraz port wejściowy 3F7 (377), informujący system o numerze wybranego HDD, numerze wybranej głowicy oraz o włączonej operacji zapisu (bit 7 portu 3F7 wykorzystywany jest przez sterownik FDC). Po włączeniu zasilania, w/w rejestry są inicjalizowane i wykonany zostaje autotest sprawdzający główne układy sterownika HDC.
Stacja dysków elastycznych
Mechanizm stacji dysków 3.5'': silnik krokowy poprzez przekładnię ślimakową napędza karetkę z głowicami zapisu/odczytu. Włożenie dyskietki do kieszeni powoduje przesunięcie się dźwigni, która przemieszcza metalową przesłonę i odsłania dostęp głowicy do powierzchni magnetycznej. Naciśnięcie przycisku wysuwu dyskietki powoduje zwolnienie blokady dźwigni i za pomocą sprężyny wypchnięcie dyskietki z kieszeni.
Aby dokonać wymiany dyskietki, należy otworzyć kieszeń pamięci dyskowej, wyjąć dyskietkę i włożyć nową. Fakt ten jest rejestrowany sygnałem pojawiającym się na 34 linii interfejsu FDD, o nazwie Change Disk (pochodzącym od mikroprzełącznika "zmiana dyskietki"). W starszych stacjach dysków linią 34 sygnalizowana była gotowość stacji dysków (Ready).
W związku z faktem niejednoznacznego przeznaczenia linii 34 interfejsu FDD, powstało wiele nieporozumień przy montażu pamięci dyskowych, zwłaszcza przez niedoświadczonych użytkowników.
Sterowanie mechanizmem
Sterowanie mechanizmem zawiera układy: pozycjonowania głowic, zapisu
i odczytu danych, układ stabilizacji prędkości obrotowej silnika napędu dysku oraz układy formatowania impulsów z czujników fotoelektrycznych. Napęd dysku łączony jest z pakietem FDC liniami interfejsu o maksymalnej długości 2m. Każda linia posiada nadajnik (np. 7438) oraz odbiornik interfejsu
(np. 74132). Poziomy napięć na liniach interfejsu odpowiadają poziomom TTL. Rysunek ilustruje schemat blokowy układu sterowania mechanizmem. Znaczenie sygnałów na poszczególnych liniach interfejsu FDD jest następujące:
DRIVE SELECT 0, 1, 2, 3 - wybór mechanizmu nr 0, 1, 2, 3 (cztery linie)
MOTOR ON - włącz silnik
DIRECTION SEL - wybór kierunku przesuwu głowic
STEP - krok (impuls przesuwający głowicę o jedną ścieżkę)
SIDE SEL - wybór głowicy
WRITE GATE - zapis
WRITE DATA - dane zapisywane
DISK CHANGE/READY - zmiana dysku/gotowość mechanizmu
HEAD LOAD - docisk głowicy do dyskietki
WRITE PROTECT - zapis wzbroniony
TRACK 0 - głowica na ścieżce zerowej
INDEX - impuls indeksowy (początek ścieżki)
READ DATA - dane odczytane
Linia MOTOR ON powoduje włączenie silnika napędu dysku, który uzyskuje nominalną prędkość obrotową po 0,5 sekundy. Wtedy mechanizm uaktywnia linię READY. Pozycjonowanie odbywa się w następujących etapach:
• powrót do ścieżki zerowej wykonuje się impulsami STEP, przy niskim poziomie DIRECTION SEL., aż do uzyskania sygnału TRACK 0, który powstaje po ziloczynowaniu impulsu z czujnika ścieżki zerowej z jedną
z faz silnika krokowego, w celu precyzyjnego ustawienia głowicy na ścieżce zerowej.
• poszukiwanie właściwej ścieżki należy rozpocząć od ustawienia sygnału DIRECTION SEL., następnie linią STEP podać tyle impulsów, ile wynosi różnica pomiędzy numerem ścieżki żądanej a numerem ścieżki aktualnej.
Operację zapisu i odczytu można rozpocząć po 15ms od ostatniego impulsu STEP (jest to czas przeznaczony na uspokojenie drgań pozycjonera). Operacja zapisu jest możliwa przy wysokim poziomie sygnału WRITE GATE oraz niskim poziomie sygnału WRITE PROTECT. Sygnał SIDE SEL. wybiera jedną z dwóch stron dysku. Nie powinien on zmieniać swojej wartości podczas operacji zapisu lub odczytu. Układ pozycjonowania steruje silnikiem krokowym, ustawiając głowice na wybranej ścieżce. W najprostszych rozwiązaniach układowych zawiera on z reguły czterobitowy rejestr przesuwny, którego zadaniem jest włączenie kolejnych faz silnika.

Sygnały DIR SEL i STEP ustawiają tryb pracy rejestru (przesuw w prawo lub lewo). Każdy impuls STEP powoduje przemieszczanie "1" w rejestrze przesuwnym, włączając kolejne fazy silnika krokowego (1 krok to obrót wirnika o 1,8 stopnia lub 3,6 stopnia). Po włączeniu zasilania, zespół głowic jest automatycznie przemieszczany na odległość kilku ścieżek, a następnie wycofywany na ścieżkę zerową (TRACK 00). Sygnał TRACK 00 pojawia się wtedy, gdy:
• fototranzystor w czujniku TRACK 00 jest mechanicznie przesłonięty
• fazy C i D silnika krokowego są wzbudzone
Po automatycznym ustawieniu na ścieżce 00, impulsy STEP będą przemieszczać zespół głowic mechanizmu wybranego linią SELECT, w kierunku określonym sygnałem DIRECTION SEL. W rezultacie działania tych dwóch sygnałów, na wyjściach PHASE A, B, C, D pojawiają się napięcia sterujące silnikiem krokowym, zgodnie z poniższą tabelą:
Fazy: ABCD Krok
1100
0110
0011
1001
1100 -
1
2
3
4 Każdy impuls STEP powoduje 1 obrót silnika krokowego o 1,8 stopnia (3,6 stopnia) zapewniając tym samym przesuw głowicy o 0,264 mm dla dyskietek 80-ścieżkowych i 0,529 mm dla dyskietek 40-ścieżkowych
Każdy impuls STEP powoduje 1 obrót silnika krokowego o 1,8 stopnia
(3,6 stopnia) zapewniając tym samym przesuw głowicy o 0,264 mm dla dyskietek 80-ścieżkowych i 0,529 mm dla dyskietek 40-ścieżkowych
W starszych typach stacji dysków sygnał READY generowany był wtedy, gdy prędkość obrotowa dysku osiągnęła wartość 300 (360) obr/min. Sygnał ten pochodził z detektora impulsów początku ścieżki. W nowszych stacjach dysków sygnał ten używany jest do informowania systemu o zmianie dysku w napędzie (DISK CHANGE).
Obecnie wiele firm produkuje układy scalone spełniające wszystkie funkcje sterujące mechanizmami pamięci dyskowych. Układy te sterują zapisem i odczytem informacji, silnikiem krokowym, kontrolują stan czujników: ochrony zapisu, ścieżki zerowej i początku ścieżki.
Uwagi o instalacji stacji dysków
Stacja dysków elastycznych łączona jest ze sterownikiem FDC za pomocą
34-żyłowego kabla sygnałów kontrolnych i danych. Drugi - 4-żyłowy kabel zasilania łączy stację dysków z zasilaczem. Przyporządkowanie sygnałów kolejnym stykom złącza jest następujące:
Styk Opis Styk Opis
2 Zarezerwowany 20 Krok
4 Opuszczenie głowicy 22 Dane zapisywane
6 Wybór stacji nr 3 24 Bramka zapisu
8 Index 26 Ścieżka zerowa
10 Wybór stacji nr 0 28 Blokada zapisu
12 Wybór stacji nr 1 30 Dane odczytane
14 Wybór stacji nr 2 32 Wybór strony
16 Włączenie silnika 34 Zmiana dysku/Gotowość
18 Wybór kierunku

Wszystkie styki o numerach nieparzystych są zwarte do masy. Poziomem aktywnym wszystkich sygnałów jest poziom niski.
Podczas instalacji stacji dysków w systemie, należy ustawić pewne parametry konfiguracyjne. Każda stacja posiada zespół zworek służący do ustawienia numeru instalowanego dysku DS1..DS4, oraz zespół rezystorów tłumiących odbicia w linii. Przy montażu dwóch stacji dysków należy na pierwszej ustawić zworkę w położeniu DS0 (wybór stacji nr 0), a na drugiej DS1 (wybór stacji
nr 1). Wprawdzie interfejs FDD posiada cztery linie wyboru mechanizmów, jednak sterowniki FDC mogą obsłużyć z reguły dwa mechanizmy. Oba dyski łączone są specjalnym kablem 34-żyłowym z kontrolerem FDC w konfiguracji łańcuchowej (ang. Daisy Chain). Konfiguracja łańcuchowa polega na podłączeniu obu dysków do tego samego kabla 34-żyłowego. Na dysku ostatnim (w łańcuchu połączeniowym)należy zainstalować rezystory tłumiące
(ang. Terminatory). Rezystory te umieszczone bywają w dwurzędowej obudowie typu DIP lub w jednorzędowej typu SIP i należy je usunąć
z wszystkich stacji włączonych do systemu poza ostatnią. Czasami rezystory montowane są na stałe w stacji dysków i można je blokować poprzez ustawienie odpowiedniej zworki. Często stosuje się też technikę obciążenia rozłożonego (ang. Distributed Termination) polegającą na tym, że każdy dysk wnosi część obciążenia i w trakcie instalacji dysku nie należy się martwić dopasowaniem magistrali. Niektóre kable interfejsu FDD posiadają kilka przewodów skręconych (linie wyboru dysku i włączenia silnika) co umożliwia ustawienie zworek DS w tej samej pozycji na obu dyskach.
Styk 34 interfejsu FDD w systemach AT jest używany do sygnalizacji zmiany dysku. Poziom wysoki sygnału "zmiana dysku" pojawia się w chwili gdy drzwi stacji zostają otwarte. Po włożeniu nowego dysku i po uruchomieniu głowic, sygnał zmienia wartość na "0". Wykorzystanie tego sygnału powoduje zwiększenie szybkości pracy FDD, bowiem system komputerowy przechowuje tablicę FAT w pamięci RAM i każda kolejna operacja dostępu jest wykonywana znacznie szybciej, gdyż tablica ta nie musi być ponownie odczytywana, jeśli system wie, że dyskietka nie była zmieniana. Niektóre stacje dysków elastycznych (zwłaszcza starszego typu) używają styku 34 do przesyłania sygnału "gotowości" i jeśli taka stacja używana jest w systemie AT, należy odłączyć styk 34 lub przestawić zworkę "zmiana dyskietki/gotowość" w położenie "zmiana dyskietki".

Do konspektu dołączono także prezentację multimedialna w programie PowerPoint.