Сервосистема работает следующим образом.

1. При поступлении команды «Позиционировать головки» в регистр

команд (РгК) из команды считываются биты, кодирующие номер

заданного цилиндра;

3. В регистре сервосистемы (РгСС) хранится код, текущего цилиндра (цилиндра, в котором находятся головки перед поступлением команды);

4. Цифровой компаратор вычисляет разность ±∆N;

5. Эта разность поступает на вход ЦАП, и на его выходе образуется напряжение ±∆U;

6. В зависимости от величины и знака этого напряжения позиционеру задаётся скорость движения и направление движения;

7. Закон изменения скорости движения позиционера имеет ступенчатый характер; скорость движения тем больше, чем больше напряжение ±U. По мере уменьшения этого напряжения скорость позиционирования уменьшается и становится равной нулю по достижении головкой заданного цилиндра. Если головка по каким-либо причинам «уйдёт» с дорожки (трека), то вырабатывается сигнал разности, так как с серводиска по цепи отрицательной обратной связи на регистр РгСС придёт другой код, который, сравнившись с кодом номера заданного цилиндра, вновь образует разность этих кодов, которая заставит позиционер откорректировать положение головки. В этом, (кратко) заключается основная роль цепи отрицательной обратной связи в сервосистеме.

Кроме того цепь отрицательной обратной связи обеспечивает:

1. Более точное позиционирование нежели в случае использования шагового двигателя;

2. Более высокую поперечную плотность записи;

3. По мере износа (старения) механических узлов привода головок система сама компенсирует этот износ.

На практике разработано несколько методов позиционирования с использованием сервосистем. Эти методы, будучи однотипными, различаются тем, ГДЕразмещена сервоинформация и тем,КАКразмещается сервоинформация относительно данных, записываемых на диск.

Практически используются следующие варианты размещения сервоинформации в дисковой памяти:

1. Сервосистема со специально выделенным диском;

2. Сервосистема с сервоклином;

3. Встроенная сервосистема и ряд других.

В сервосистемах с выделенным дискомодин из дисков выделяется для размещения сервоинформации. При этом поверхность этого диска (в некоторых НМД обе поверхности диска) делятся на сегменты, в которых на каждой дорожке по всем цилиндрам диска записывается информация о номере цилиндра и ещё некоторая фирменная информация (например, данные о диске или информация для тестирования дисковой памяти). Таким образом, номер цилиндра повторяется на дорожке столько раз, сколько сегментов уместилось на диске. В зависимости от размера (геометрического) диска на дорожке размещается несколько десятков или сотен номеров цилиндров При эксплуатации диска в режиме записи-чтения сервоголовка имеет возможность прочитать номер цилиндра несколько десятков или сотен раз и передать этот номер в регистр РгСС. При уходе головки с трека сервосистема может откорректировать положение головки в течение одного оборота диска и, таким образом, возвратить головку на заданный цилиндр.

Этот вариант имеет недостатки:

1. Сервоинформация занимает в пакете дисков очень много места, поэтому этот вариант следует использовать в больших пакетах, где потеря дисковой памяти не так ощутима;

2. В системе приходится полагать, что идеально этот вариант работает, если магнитные головки неподвижны друг относительно друга, что на практике весьма сложно осуществить (наклон системного блока, сильный и резкий удар и т.п.).

В сервосистеме с сервоклином сервоинформация размещается всего в одном сегменте – так называемомсервоклине на той же стороне каждого диска, на котором размещаются данные. Сервоинформация в клине имеет ту же структуру, что и в предыдущем случае и используется сервосистемой аналогично. Такая система ликвидировала недостаток предыдущей – затрата большого объёма памяти для сервоинформации. Кроме того, размещение данных и сервоклина на одной поверхности диска сделало невозможным второй недостаток в предыдущем случае.

Однако клиновая система имеет собственные недостатки:

1. Поскольку в сервоклине содержится ограниченное количество информации, накопитель должен «ожидать» нескольких оборотов диска для точной фиксации головки на нужном цилиндре;

2. Сервосистема не может узнать о дрейфе головки до следующего восприятия сервоклина (до следующего оборота диска).

Во встроенной системепакеты сервоинформации (так называемые «клинья») располагаются после каждого дискового сектора с данными. Таким образом, сервоинформация является доступной сервосистеме на одном обороте диска столько раз, сколько секторов данных размещается на одной дорожке В дисковой памятиQuantumCorporation, например, таких «клиньев» на одной дорожке 84. Это бесспорное преимущество данной системы перед предыдущей. И всё-таки недостаток встроенной системы – значительное количество памяти тратится на сервоинформацию.

В некоторых накопителях в различных зонах поверхности диска имеется разное количество секторов. Например, во внешней зоне число секторов равно 75, в средней зоне – 50 секторов и во внутренней – 25 секторов. В таких накопителях «клин» сервоинформации приходится на целый диапазон радиальных позиций и для каждой зоны записывается перед каждым сектором внутри зоны. Для рассмотренного выше примера во внешней зоне размещают 75 пакетов сервоинформации на один оборот диска, в средней 50 пакетов, а во внутренней всего 25 пакетов.

Встроенные системы используются в большинстве современных дис-ковых накопителей на жёстких дисках.

Однако у встроенных систем имеется несколько слабых мест:

1. Поскольку сервосигналов не так много, поэтому наличие коротких пакетов сигналов означает, что при отклонении головок от дорожки (или даже переходе на соседнюю дорожку) система дольше позиционирует головку на заданную дорожку;

2. Даже при наличии пакета сервоинформации перед каждым сектором при записи и считывании в середине сектора невозможно узнать о том, что головка «сошла» с дорожки.

Управление работой накопителяна магнитных дисках выполняет контроллер – КНМД. Необходимо сделать несколько предварительных замечаний относительно контроллера. Если вопросы функционирования контроллера накопителей на гибких магнитных дисках достаточно широко освещены в отечественной и зарубежной литературе вплоть до структурных схем и алгоритмов функционирования, то с контроллерами на жёстких магнитных дисках дело обстоит существенно иначе. Это объясняется рядом причин, из которых, пожалуй, самой главной является та, что с момента объединения в одном конструктиве собственно накопителя и его контроллера КНМД стал предметом «ноу хау» фирм, выпускающих на рынки накопители, в частности винчестеры. Обеспечив внешние параметры накопителя – интерфейс, скорость передачи данных и их форматы, фирмы «закрыли» все остальные данные: структурную и принципиальную схемы, алгоритмы реализации различных режимов работы и т.п. В силу этого рассмотрение процессов взаимодействия собственно накопителя с его контроллером ниже рассматривается на уровне некоторой абстракции, т.е. с использованием «виртуальной» структуры контроллера.

Общая схема подключения КНМД к ядру ЭВМ – процессору и ОЗУ приведена на рис.16. На схеме приняты следующие обозначения:

НМД1 – НМДN– накопители, подключаемые к контроллеру;

КНМД – контроллер НМД;

КПДП – контроллер прямого доступа к памяти (ОЗУ), который в большинстве случаев входит в структуру КНМД;

КПР – контроллер прерываний, также являющийся частью КНМД;

ЦП и ОЗУ – центральный процессор и оперативная память

СИ – системный интерфейс.

На структурной схеме выделены некоторые важные сигналы:

DRQ– сигнал от КНМД к КПДП (запрос прямого доступа к памяти);

DACK – ответ КПДП контроллеру НМД;

TC – тактовые сигналы;

IRQ-N – сигнал прерывания от КНМД к процессору.

Основные функции КНМД весьма обширны, что свидетельствует о большой функциональной значимости контроллера в системе. Перечислим основные функции КНМД:

1. Электрическое и логическое подключение НМД к системному блоку компьютера (системному интерфейсу);

2. Выполнение команд чтения и записи данных;

3. Организация режима прямого доступа к памяти;

4. Кодирование и декодирование данных, КЭШ-ирование данных при записи и чтении;

5. Выработка сигналов для непосредственного управления отдельными компонентами накопителя

6. Управление режимами обмена (отдельные байты или блоки данных;

7. Форматирование дисковой памяти;

8. Интерпретация команд процессора и доведение их до уровня сигналов управления агрегатами накопителя;

9. Синтез сигнала прерывания от НМД к ЦП и наоборот;

10. Поиск файла в памяти при чтении данных и размещения данных при записи;

11. Управление шпиндельным двигателем накопителя

12. Передача в ОЗУ каталога и таблиц размещения файлов (FAT).

В качестве интерфейсов, с помощью которых контроллер подключается к системной шине используются в основном 4 типа интерфейсов: последовательные – SТ506/412,ESDIи параллельные –SCSI,ATA(IDE). В некоторых моделях контроллеров в настоящее время встречаются контроллеры, в которых используется интерфейсUSB.

Интерфейс ST506/412 работает с дисками, имеющими 25 – 26 секторов на дорожке и обеспечивает передачу данных со скоростью 5 – 7,5 Мбит/с.

Интерфейс ESDIработает с дисками, имеющими 36 секторов и обеспечивает скорость обмена до 24 Мбит/c.

Оба интерфейса передают информацию последовательно, т.е. побитно.

Интерфейс SCSIявляется параллельным, разрешающим передачу побайтно, что повышает скорость передачи до 40 Мбит/c.

Интерфейс ATA(IDE) является альтернативой интерфейсамSCSIиESDI. Его особенность – реализация функций контроллера в накопителе. БольшинствоIDE-дисков форматируется на 34 и больше секторов и имеет чередование секторов 1:1.

В современных дисковых системах для разгрузки компьютера от рутинных операций в контроллерах предусматривается:

1. Микропрограммное управление накопителем;

2. Прямой доступ к памяти ЭВМ;

3. Буферизация считываемых и записываемых данных;

4. Процедуры повышения достоверности считываемой информации (повторение чтения или коррекция считанных данных).

Структурная схема «виртуального» контроллера с элементами накопителя (для наглядности) приведена на рис.17. (Блоки структурной схемы, относящиеся безусловно к КНМД на схеме представлены с двойной обводкой контура блока).

Структурная схема содержит:

А. Узлы (собственно) накопителя:

1. Пакет жёстких дисков;

2. Блок магнитных головок:

3. Каретка позиционера;

9. Линейный двигатель;

14. Шпиндельный двигатель;

15. Шток (толкатель) каретки.

Б. Узлы (основные) контроллера:

4. Коммутатор головок;

5. Схемы формирования сигналов записи-считывания;

6. Блок кодирования-декодирования;

7. Внутреннее ОЗУ (буфер);

8. Внутренняя (локальная) шина;

10.Позиционер с сервосистемой;

11. Блок интерфейса;

12. МикроЭВМ (микроконтроллер);

13. Блок управления шпиндельным двигателем.

В схеме не показаны отдельные регистры (регистр состояния, регистр данных и др.) и локальный контроллер (управление записью-считыванием), детектор сервометок и др.

Управляющая микроЭВМ (12) обеспечивает взаимодействие всех узлов контроллера и НМД и связь с внешним интерфейсом (11). При подключении питания и по сигналу аппаратного сброса микроЭВМ выполняет самотестирование, сначала проверяя собственное «хозяйство» (ОЗУ, ПЗУ, регистры), а затем и остальные блоки контроллера. Далее выполняется запуск шпиндельного двигателя, и когда он наберёт достаточные обороты, головки выводятся из зоны парковки и ими начинает управлять сервосистема. Теперь микроЭВМ может загрузить со служебных дорожек диска необходимую ей информацию. На диске может храниться таблица трансляции секторов, списки дефектных блоков, паспорт диска и даже часть программы микроЭВМ.

На основании служебной информации микроЭВМ конфигурируется под конкретный гермоблок (НМД), с которым она работает: определяет списки рабочих головок, число цилиндров, число секторов на дорожках каждой зоны и т.д. Успех конфигурации означает готовность винчестера к исполнению команд, поступающих от компьютера по внешнему интерфейсу. Теперь винчестер способен предъявить паспорт диска (для интерфейса АТА) – 512 байтный набор данных, описывающих все доступные извне свойства устройства.

При получении команды микроЭВМ выполняет трансляцию внеш-него адреса запроса, поступившего по интерфейсу, в адреса реальных секторов реальных поверхностей носителя. Трансляция выполняется по таблицам, загружаемым в ОЗУ микроЭВМ, учитывая текущую внешнюю (логическую) геометрию диска АТА (у SCSI такого понятия нет), размеры зон, а также переназначение физических секторов для обхода дефектных участков поверхностей дисков.

Внешнее ОЗУ (буфер) (7) используется для хранения записываемых и считываемых данных и локального «кэширования». Объём буфера составляет от десятков килобайт до единиц мегабайт.

В некоторых накопителях ставят второй буфер для хранения, который после считывания очередной порции данных начинает «общаться» с интерфейсом, а первый готов к новой порции данных.

Блок управления шпиндельным двигателем (13) обеспечивает запуск и останов двигателя по команде от микроЭВМ и поддерживает постоянную скорость его вращения по сигналам от датчика (см. кинематическую схему НМД) скорости вращения дисков. Блок сигнализирует микроЭВМ о достижении минимальной скорости вращения, на которой можно выпускать головки из зоны парковки.

Блок управления позиционированием с сервосистемами (10) формирует сигналы управления звуковой катушкой (соленоид ЛЭД для перехода с цилиндра на цилиндр по командам микроЭВМ) и следит за положением головки на дорожке по принятым сервосигналам.

Комутатор головок (4), совмещённый с предусилителями считывания и формирования тока записи, представляют собой стандартную микросхему, смонтированную непосредственно вблизи головок.

Схемы формирования сигналов записи-считывания (5) формируют токи записи в магнитные головки и сигналы считывания, выделяя их из служебных сигналов.

Задачи, стоящие перед КНМД весьма просты, несмотря на сложность и функциональную насыщенность контроллера:

1. Как можно быстрее обработать запрос на чтение и запись информации. При этом время, затрачиваемое на обмен данными одного сектора складывается из времени поиска цилиндра (t1), времени ожидания подхода сектора к головке (t2), времени обмена данными сектора между накопителем и контроллером (t3). Таким образом общее время обмена будет равно:

Tобм=t1 + t2 + t3

Времена t1 и t2 определяются, в основном, механическими характеристиками накопителя: скоростью позиционирования, скоростью вращения дисков. Время ожидания сектора в среднем это время половины оборота диска. При скорости вращения от 3600 до 10000 оборотов в минуту время ожидания равно t2=16,6 мс – 6 мс. Время поиска цилиндра определяется скоростью позиционирования. Максимальная скорость позиционирования составляет около 2м/с.

2.Максимальное время обмена определяет скорость обмена между диском и ОЗУ компьютера. Это время в предположении, что в дисковой памяти данные располагаются побитно равно при 20 секторах на дорожке, объёме сектора 512 байт и скорости вращения 7200 об/мин 8мс. Если объём дорожки равен 20х 512 = 10240 байт, скорость считывания равна 10240 / 8 = 1,28 Мбит/с. Эти несложные расчёты показывают, что дисковая память весьма медленная система. Поэтому достигаемая внешняя скорость определяется рядом дополнений дисковой памяти. Достигается это, в частности, «кэшированием» диска, смещением (перекосом) головок, зонной записью на диск и другими методами.