Русский | English   поискrss RSS-лента

Главная  → История отечественной вычислительной техники  → Накопители на магнитных дисках для малых и персональных ЭВМ

Накопители на магнитных дисках для малых и персональных ЭВМ

Производство накопителей на магнитных дисках (НМД) — одна из важнейших отраслей современной вычислительной техники. Значительная часть НМД для стран — членов СЭВ поставляется НРБ, которая с 1975 г. выпускает накопители, предназначенные для больших и малых ЭВМ.

В последние годы в связи с развитием малых и персональных профессиональных ЭВМ (ППЭВМ) резко повысились потребности в НМД на гибких сменных и на жестких несменных носителях. Эти накопители характеризуются качественно новыми требованиями к надежности, габаритным размерам, массе и др. Внедренная на предприятиях страны технология производства НМД типа “винчестер” вытеснила НМД на сменных носителях (пакетах и кассетах) и ускорила развитие НМД на несменных носителях с уменьшенным диаметром диска. В период с 1984 по 1986 г. НРБ выпустила серийно ряд новых накопителей, соответствующих требованиям современных ЭВМ:

В статье рассматриваются некоторые проблемы, связанные с проектированием накопителей на жестких магнитных дисках для малых и ППЭВМ.

Интерфейсы. Емкость НМД для малых и ППЭВМ удваивается каждые три года. В то же время производительность ЭВМ увеличивается ежегодно на 20%, а необходимость в увеличении емкости внешней памяти нарастает с 40 до 75% за год. Эффективным способом преодоления этой диспропорции является увеличение “интеллектуальности” накопителей.

Приняты 4 уровня стандартизации интерфейсов в вычислительной машине: процессорный, системный, подсистемный и периферийный (рис. 1). Ниже приводятся некоторые наиболее распространенные интерфейсы для малых и ППЭВМ (в скобках указаны интерфейсы, стандартизованные в странах СЭВ).

Интерфейс Для малых ЭВМ Для ППЭВМ
Процессорный СМ 1
SM 1
MULTIBUS
VME BUS
SCSI
Системный UNI BUS (ОШ)
Q-BUS (МПИ)
MASS-BUS (ИМП)
типа RDSX
Периферийный типа DIABLO
(ММ СМ ЕИМ 007-76)
SMD (СМД)
ST506
1412(ИМД-М)
SAUGART (НГМД)
STU12HP
ESDI

Выбор интерфейса – один из основных вопросов, стоящих перед конструкторами НМД. Интерфейс должен обеспечивать максимальную скорость передачи данных, функциональную гибкость подключения разных типов НМД и других внешних устройств, работу с разными протоколами обмена, простую аппаратную реализацию и др. НРБ принимает активное участие в выборе и стандартизации интерфейсов в рамках СЭВ. Ниже приведены некоторые из используемых в Болгарии интерфейсов.

Интерфейс НМД
MM CM ЭВМ 007-76 СМ5400, СМ5410
СМД СМ5412
ИГМД ЕС5074, ЕС5088, ЕС5323, ЕС5321 и др.
ИМДМ ЕС5300, СМ5508
ИМП СМ5404, СМ5416

С появлением 32-битовых малых и ППЭВМ требования к НМД, а отсюда и к соответствующим подсистемным интерфейсам повысились. Однако выяснилось, что экономически выгоднее подключать НМД большой производительности к существующим вычислительным системам. Использованные до сих пор интерфейсы не удовлетворяют новым требованиям как со стороны системы, так и внешних устройств. Это обусловливает создание и развитие так называемых “интеллектуальных” интерфейсов.

В процессе повышения интеллектуальности НМД можно выделить несколько этапов:

Первыми разработками в направлении “интеллектуализации” стали НМД СМ5404 и СМ5416. Существует тенденция к переводу НМД для малых ЭВМ (мини-НМД) на носителях с диаметром 200 мм на интерфейсы типа SDI, IPI, ISI и другие, а НМД для ППЭВМ (микроНМД) на носителях диаметром 89 мм — на интерфейсы типа ESDI и SCSI.

Позиционирование в НМД. Такое позиционирование осуществляется посредством шагового двигателя без датчика положения каретки с головками (открытая сервосистема) или посредством линейного (ротационного) двигателя с датчиком положения (замкнутая сервосистема). Замкнутые сервосистемы являются единственным решением для мини-НМД. Их развитие представляет собой смену четырех поколений. Первое поколение характеризуется механической установкой магнитных головок. Во втором используются индуктивные, или оптические, датчики положения, и устанавливается электронная головка. В третьем поколении накопителей одна из дисковых поверхностей (сервоповерхность) содержит закодированную информацию, которая записывается изготовителем и воспроизводится отдельной головкой, так называемой сервоголовкой. К четвертому относятся позиционирующие системы с распределенной сервоинформацией.

Широкое распространение получила “дибитная” конфигурация сервозаписи (рис. 2). Используются и другие конфигурации сервосигнала — трехбитные и квадратурные, характерные для современных НМД. Сервоповерхность записывается в трех зонах. Внешняя защитная зона содержит определенное число однотипных серводорожек (например, отрицательных). Сервозона состоит из чередующихся положительных и отрицательных серводорожек, причем посредством кодирования сервозаписи обозначается начало дорожки (“индекс”). Ширина сервозоны соответствует ширине зоны для записи данных на поверхности для данных.

Внутренняя защитная зона имеет определенное число однотипных серводорожек (например, положительных).

При технологии типа “винчестер” головки “садятся” и “взлетают” с одной из защитных зон, а их позиционирование управляется сервосистемой. Она представляет собой сложную систему автоматического регулирования с множеством обратных связей различного типа, осуществляющую разные режимы позиционирования: поиск, восстановление, установку, смещение с центра дорожки, вытягивание головок из сервозоны при остановке, аварийное вытягивание при пропадании напряжения питания и др. Сервосистемы этого типа требуют большого объема электроники и обычно используются в мини-НМД большой емкости.

В микроНМД емкостью до 20 Мбайт для позиционирования головок обычно используется открытая сервосистема с шаговым двигателем. Последний поддерживает постоянную скорость, не зависящую (в определенных границах) от нагрузки.

Для управления двигателем смешанного типа используются двуполярные мостовые схемы, которые переключают в определенной последовательности направление тока через каждую из двух обмоток. Вращение вала двигателя осуществляется с помощью 4-шаговой последовательности. Переключением соответствующих цепей обычно управляет микропроцессорная система.

В микроНМД применяется вращение двигателя и с полушаговой (8-шаговой) последовательностью, при помощи которой получается перенос на полшага. Задерживающий момент (сила, которую нужно приложить к валу двигателя для его вращения на один шаг), разный для четных и нечетных позиций, так как на каждом четном шаге ток протекает только через одну из обмоток. Точность позиционирования и вибростойкость на “слабых” (четных) шагах ниже по сравнению с 4-шаговой последовательностью.

Выбор шагового двигателя для микроНМД производится на основе зависимости между рабочим моментом и частотой подачи шаговых импульсов. Для того чтобы достигнуть максимальной скорости вращения, применяют разные законы наращивания скорости. Наиболее часто используются линейное ускорение и линейное замедление, так как они легче реализуются.

При экспоненциальном ускорении время достижения максимальной (постоянной) скорости уменьшается, но экспоненциальное замедление очень крутое, из-за чего возможно нарушение синхронности вращения двигателя (потеря шагов). По этой причине ускорение выполняется по экспоненциальному закону, а замедление — по обратно-экспоненциальной зависимости. Наиболее полное использование момента двигателя может быть достигнуто ускорением и замедлением по параболе.

В микроНМД емкостью более 20 Мбайт применяются замкнутые сервосистемы.

Тракт записи и воспроизведения. Если для позиционирующих систем преобладают конструктивные проблемы, то для записи и воспроизведения мини- и макроНМД — технологические. Они связаны с оптимизацией параметров магнитных головок и дискового покрытия. Главной целью является повышение плотности записываемой информации. В массовых НМД плотность записи порядка 10000 бит/дюйм и 1000 дорожек/дюйм. Такой плотности можно достичь при ферролаковом или тонкослойном покрытии диска с помощью композитных или интегральных магнитных головок с высотой плавания от 0,25 до 0,5 мкм. Основные проблемы в области цифровой магнитной записи в НМД:

Для технологии “винчестер” характерно то, что блок, состоящий из магнитных головок и дисков, работает в сверхчистой, герметически закрытой области, причем в состоянии покоя головки имеют контакт с дисковыми поверхностями. Блок с головками и дисками конструктивно оформлен в виде несменного информационного модуля. В нем находится также интегральный предусилитель, который может работать с одной или несколькими головками. При записи информационный поток направляется через драйвер записи к выбранной головке, а при воспроизведении осуществляется предварительное усиление сигнала, в результате чего повышается помехоустойчивость в случае передачи для дальнейшей обработки. Тракт записи и воспроизведения в микроНМД (емкостью до 100 Мбайт) упрощен прежде всего из-за небольшого объема всей электроники. Предкомпенсация и декодирование данных выполняются в устройстве управления микрокомпьютерной системы.

Использование групповых кодов (RLL) типа 2/7 (или 4/7) позволяет увеличивать объем записываемой на НМД информации при сохранении плотности записи. Это достигается с помощью группового кодирования, при котором уменьшается число магнитных переходов на дисковом покрытии. Кодом 2/7, например, можно уменьшить на 33% длину дорожки, записанной RLL-данными, т. е. увеличить на 1/3 полезную емкость НМД.

Управление шпиндельным двигателем. В мини-НМД с 14-дюймовыми носителями привод шпиндельного двигателя осуществляется обычным способом — асинхронными двигателями и ременной передачей. С уменьшением диаметра дисков (8 и 5,25 дюймов) полностью переходят на применение привода интегрированным нетоковым бесколлекторным двигателем постоянного тока.

В типичной схеме управления интегрированным трехфазным шпиндельным двигателем сигналы о положении ротора формируются тремя датчиками, подключенными к трем обмоткам двигателя. Сигналы поступают на три входа микропроцессора, который формирует управляющие сигналы для трех драйверов. Реальная скорость вращения ротора определяется при помощи индексных импульсов, поступающих на вход прерывания. Двоичное число разности между реальной и заданной скоростью подается к цифро-аналоговому преобразователю (ЦАП). Выходной сигнал ЦАП поступает на вход схемы сравнения, выход которой влияет (в нужном направлении) на драйвер, увеличивая или уменьшая ток, протекающий через соответствующую обмотку двигателя. Информация о величине тока поступает с выхода драйвера к схеме сравнения.

Коррегирующее воздействие продолжается до выравнивания сигналов на двух входах схемы сравнения. Таким образом, при прецизионном двигателе можно достичь точности поддержания скорости вращения до +0,1%.

Надежность. Основной параметр надежности — среднее время между отказами (СВМО) для НМД на сменных дисках имеет значение в пределах 1-2 тыс. ч. С помощью технологии “винчестер” значение этого параметра можно увеличить не менее чем в два раза. Однако следует отметить, что надежность НМД и, в частности, СВМО определяется не только технологией изготовления. В равной степени влияют такие факторы, как коэффициент загрузки НМД (обычно 0,20-0,25) и внешние климатические и механические воздействия (температура и влажность окружающего воздуха, ударные и вибрационные нагрузки).

Для достижения максимально возможной надежности НМД пользователю следует соблюдать определенные правила обращения с изделием, например избегать ненужных включений/выключений накопителя и обеспечивать хорошие условия вентиляции (охлаждения) изделия.

В заключение приведем основные параметры двух накопителей, которые наиболее полно удовлетворяют требованиям малых и ППЭВМ.

  Мини-НМД МикроНМД
Объем памяти, Мбайт >30 >40
Скорость обмена, Мбит/с >9, 00 5,00
Плотность данных, бит/дюйм >6500 >8500
Плотность дорожек, дорожка/дюйм >700 >600
Диаметр носителя, мм 356 130
Интерфейс ИМП ИМДМ
Кодирование данных MFM MFM
Число дисков 5 4
Число головок 19 (+1 серво) 7 (+ 1 серво)
Позиционер Линейный двигатель Линейный двигатель

Статья опубликована в сборнике “Вычислительная техника социалистических стран”, вып. 24, Москва, “Финансы и статистика”, 1988 г., стр. 49.

Проект Эдуарда Пройдакова
© Совет Виртуального компьютерного музея, 1997 — 2017