Система управления скоростью вращения диска

Обновлено: 07.07.2024

На каждом столбе уже давно идут срачи по поводу музыки с винила. Одна часть яростно минусует, ругает и всячески высмеивает идею слушать виниловые диски в век цифровых стримов высокого разрешения, как TIDAL, Qobuz и прочее, в крайнем случае снисходительно улыбается. Другая, не менее яростно отстаивает свою точку зрения, показывая аудиофильские системы за многие тысячи и выкладывает записи звука, доказывая, что хорошо отстроенная и дорогая виниловая система играет намного лучше, чем цифра. У обеих сторон есть и научные и не научные доводы в свою пользу.

Я, в свою очередь, столкнулся с ситуацией, когда реально старые записи без ремастеринга, попадаются в основном отвратительного качества, а новый ремастеринг убивает структуру старых добрых песен, после чего их слушать, я лично, не могу. Принимая точку зрения других, что ничего плохого в ремастерингах нет, для себя я для себя решил собрать чисто аналоговую систему под винил. И первое, оценив цены на нормальные современные вертушки, а так же на топовый винтаж, с учетом его возраста в 50+ лет и состояние, решил собрать винилокрут самостоятельно.

Так как основная часть, как тонарм, диск и двигатель, являются сложными технологическими приборами остановил свой выбор на нормальном винтажном доноре, от которого будет взято только диск и небольшой набор электрики, покупке нового, не сильно дорогого, но качественного, тонарма с иглой, и на полном изготовлении корпуса с всеми необходимыми доделками.

Подбор компонент

Первым делом надо было утвердить тип донора. Дома на тот момент стоял пассиковый привод Thorens 166 который играл очень неплохо, имел новый корпус из черного ореха собственного изготовления и имел возможность смены тонарма. Главным его минусом было отсутствие мало мальской возможности контроля скорости вращения диска. Примитивная электроника и двигатель, чья скорость была расчитана на 50Гц и напрямую зависила от стабильности напряжения и частоты в сети питания. Дабы выровнять скорость точнее необходим был входной стабилизатор напряжения и частоты переменного тока, другой возможности не было. В добавок - пасиковые проигрыватели звучат хорошо в основном на тихой мягкой музыке - как джазы, блюзы и классика. Рок на нем играл вяловато, да и несмотря на полную замену корпуса, кашеобразно из-за кучи резонансов.

Выбор донора пал на прямой привод (Direct Drive (DD)) который дает более агрессивный звук, и как в последствии выяснится, может играть тот же джаз и классику не менее нежно и аккуратно при правильной настройке.

Тонарм был выбран Jelco 750D как яркий представитель оптимального соотношения цена-качество. Более высокие по уровню уже шли с многократным превышением цены, а в своей ценовой категории тонармы Jelco не оставляли никого равнодушным.

Для корпуса был выбран дуб, как вязкое и низкорезонансное дерево с высокой плотностью, которое будет формировать общий вес корпуса без дополнительных материалов.

В результате поисков в объявлениях со вторых рук был куплен DD проигрыватель Micro Seiki DD24 тонарм Jelco 750D серого цвета, и набор дубовых досок под размер.

Внутренности проигрывателя MicroSeiki DD24

Первая часть

Проигрыватель был безжалостно разобран на части.

Все что осталось

Из всего набора был оставлен только трансформатор, управляющая схема, двигатель и питч контроль, которым с помощью обычной системы стробоскопа, можно регулировать скорость вращения.

Корпус был изначально задуман как многослойный, с прослойками антивибрационного материала, в качестве которого была выбрана байка, тонкие 3 миллиметровые полоски между 3см слоями дерева. Всего получилось 6 слоев.

Первая примерка слоев дерева

Обычно корпуса склеивают, но тут я наткнулся на выбор, залить клеем анти-вибро слои, тем самым убив саму идею многокомпонентного корпуса, либо - пойти на не клееный корпус. Второе победило, в результате чего корпус стянут стяжками 6 стяжками, что совместно с расположением слоев перехлестом, делает его полностью монолитным.

Крепление слоев с вырезанной шахтой для двигателя

После обработки корпуса ~~напильником~~ шлиф-машиной, внутрь корпуса была вмонтирована электроника с двигателем. Основной проблемой стало полное разделение двигателя и корпуса, по возможности разумеется. Для этого из Fimo пластика были вылеплены ножки, которые после запекания становятся достаточно твердыми, но имеют свойство сжиматься, как очень твердая резина, тем самым обеспечивая компенсацию микровибраций возникающих при вращении.

Далее, было проведено выравнивание положение двигателя относительно корпуса с помощью цифрового микрометра, дабы расстояние между диском и поверхностью было минимальным. На данный момент оно составляет примерно 2.5мм.

Шахта для электроники управления с задней стороны

Для первой примерки использовал то, что было под рукой, латунная пластина для крепления элементов управления выкрашенная в черный цвет.

Блок управления в процессе примерки

После того, как все было собрано, обеспечен контроль над скоростью вращения и смонтирован блок управления в первом приближении, оставалось найти тонарм, придумать систему крепления и попробовать прибор в деле.

Установка тонарма

Сам по себе поиск тонарма оказался нетривиален. Когда проект только задумывался, фирма Jelco работала, поставляла новые тонармы по приемлемым ценам, однако процесс создания пришелся на перый год короны, делал все в августе, и когда начал искать где купить новый тонарм, оказалось, что фирма Jelco закрылась. Причиной явилась как раз корона, возраст работников и, как написали на сайте самой фирмы, старость станков. Печальное событие произошло в апреле - что привело к резкому росту цен.

В результате тонарм был найден только со вторых рук, новые либо вызывали сомнение в новизне и подлинности, либо стоили уже примерно так же как и их более интересные дорогие собратья.

Свежеприобретенный тонарм

Тонарм надо было как-то поставить на место, которое изначально было запланировано на втором сверху слое дерева, но тут и скрывались основные проблемы. Дело в том, что обычно корпуса самодельных проигрывателей изготавливают из фанеры, заполняя их дробью или другими металлическими наполнителями, компенсируя малый вес корпуса. Фанера гораздо менее чувствительна к изменениям влажности и температуры, чем дерево, более стабильна и имеет гораздо более ровную поверхность, поэтому на фанерные подставки тонармы обычно крепят напрямую.

При условии, что тонарм требует очень точной соосности в вертикальной плоскости с осью вращения диска, и любые микро сдвиги от нее, приводят к искажению звука, в моем случае стал вопрос компенсации микро изменений поверхности дерева. Кроме этого начитавшись теории винилового звука, хотелось дополнительной изоляции тонарма от корпуса, несмотря на вес более 12кг, и несмотря на все демпфирующие приспособления.

Решение было принято - использовать пружинный подвес, 4 пружины с общим давлением до 2-3кг при небольшом сжатии. Давление подбиралось таким образом, чтобы при использовании никаких смещений не было, но при этом, чтобы достаточно легко можно было бы конфигурировать всю систему.

Тут я конечно допустил одну ошибку, которая в данный момент не влияет на качество, но в будущем вполне может привести к тому, что придется очередной раз все перерабатывать. Это отсутствие какой-либо возможности настраивать расстояние между осью вращения тонарма и шпинделем диска. При использовании одного тонарма, в этом нет необходимости, если удается правильно его расположить, но если будет необходимо его заменить, то придется заново изготавливать пластину для подставки.

Система подвеса - тестовый вариант

Для теста была выбрана пластина из композитного пластика, которая была под рукой, в дальнейшем заменена на алюминиевую. Шайбы под пружины тоже были изготовлены из Fimo, но в последствии допилены.

Первая примерка тонарма и первое проигрывание показало, что направление выбрано верно. Звук оказался намного лучше того, который можно было получить с имевшегося в наличии доработанного Thorens 166, более точный, яркий и детальный, несмотря на более дешевую иглу и незаконченный подвес и обработку.

Доработка проекта

В этом виде проект оставлять было нельзя, требовалось допилить все до нормального состояния, поэтому было полностью допилено и обработано дерево, шлифовка и обработка составом: льняное масло, воск, канифоль. Все это было растоплено перемешано и остужено. Полученным составом отшлифованное дерево было обработано и натерто замшевой тряпочкой.

Передняя пластина заменена на алюминиевую, винты крепления так же приобретены новые на али.

База для тонарма - 6мм алюминиевая пластина так же с новыми пружинами и креплениями.

Установлены ножки конусы - для регулировки горизонтального положения диска.

Вся электроника заземленная, двигатель с экраном, выходной кабель - экранированный клотц с распайкой земли на экраны, экраны заведены друг на друга со стороны тонарма и обрезаны со стороны входа в фонокорректор. Никаких шумов и посторонних наводок.

Конфигурация системы в которой играет проигрыватель:

Фонокорректор - ViktorLab, самодельный из Самары.

Усилитель ламповый однотакт (китай) доработанный, лампы 40-х годов, выходные 300B пока китай PSWane.

Акустика Klipsch Forte IV

Игла Nagaoka MP110

Планы и доработки

Один из недостатков винтажных систем - их старость, поэтому в ближайших планах доработка электроники, пересмотр и замена комплектующих на более современные, новые, замер и подгонка параметров вращения диска, при необходимости, доведение его до заводских параметров.

Есть желание дополнить проигрыватель для начала системой пассивного наблюдения за скоростью вращения на базе Ардуино. Далее возможно допиливание до автоматического контроля над скоростью с помощью замены ручного регулятора переменного сопротивления на электронный, с программным контролем.

Есть желание поменять опорные ножки, очень уж неудобные они для регулировки оказались.

К системам автоматического управления можно отнести схемы: фокусировки луча на поверхности диска; отслеживания дорожки (трекинга); управления скоростью вращения диска; PLL (извлечения цифровых данных с потока считываемой информации); поддержания постоянной мощности излучения лазерного диода. Все настройки желательно проводить по документации.

по максимальной амплитуде сигнала EFM выставляют баланс (EF-Bal) и смещение (TE-Offset) трекинга;
по четкости сигнала EFM или минимальной амплитуде сигнала FER настраивают смещение фокуса (FO-Offset);
по амплитуде FER и TER выставляют сигналы фокусировки и трекинга: FGain и TGAIN соответственно;
настраиваем PLL-детектор по стабильному захвату сигнала EFM.

3.1 Система автофокусировки луча

Сервосхема фокусировки предназначена для компенсации биений компакт-диска (вверх-вниз).

запустить CD;
запомнить расстояние от линзы к диску (чтобы можно было увидеть линзу при воспроизведении, нужно частично разобрать механику);
остановить CD;
регулируя Fofs, выставить такое же расстояние от линзы к диску, как и при воспроизведении.

3.2 Система автотрекинга

Система автотрекинга используется для точного отслеживания информационной дорожки на поверхности компакт-диска.

немного уменьшить амплитуду сигналов FE и TE;
легкими толчками корпуса сбивать трекинг (приводить к потере дорожки);
по таймеру на дисплее отслеживать, в какую сторону перепрыгивает головка: вперед или назад;
настроить регулятор баланса таким образом, чтобы при постукивании трек сбивался то вперед, то назад приблизительно на минимальное время;
восстановить прежний уровень сигналов FE и TE.

3.3 Система управления скоростью вращения диска (СУСВД)

СУСВД используется для обеспечения постоянной линейной скорости считывания компакт-диска. Данная сервосхема функционирует полностью в автоматическом режиме и настроечных элементов не имеет. Требования к точности оборотов двигателя довольно низкие (что объясняется описанными ранее особенностями СУСВД), поэтому используются недорогие двигатели.

3.4 PLL-детектор

PLL-детектор используется для выделения информации из считанного сигнала. Его настраивают по надежному захвату сигнала EFM и по максимальному проценту выделения (100%) полезных цифровых данных. Для захвата частоты в детекторе применяются схемы частотной и фазовой автоподстройки. О наличии выделенных детектором цифровых данных можно судить по аудиосигналу на выходе, изменению времени трека на дисплее в режиме "Воспроизведение" или по начальному считыванию информации после загрузки диска.

Для настройки данной сервосхемы может использоваться подстроечный резистор или подстроечный колебательный контур. При неправильной настройке диск вращается, но звук на аудиовыходе некачественный (из-за выпадения данных слышны шорох и треск) или диск вообще не считывается. На практике ползунок подстроечного резистора устанавливают в среднее положение между двумя крайними позициями, в которых проигрыватель перестает считывать информацию. Практически настраивать колебательный контур приходится очень редко. Потребность в этом может возникнуть при искажении аудиосигнала, шорохе и треске в нем. В некоторых моделях проигрывателей подстроечные элементы детектора отсутствуют.

3.5 ALPC и настройка тока

Система автоматического контроля питания лазера поддерживает на заданном уровне мощность излучения лазерного луча.

В корпусе лазерного диода (рис. 3.2) вмонтирован фотоприемник VD2, который контролирует мощность излучения лазерного диода VD1. Нужный ток задается резистором R1. Подстроечный резистор может быть расположен на корпусе лазерной головки или на плате проигрывателя. Схема питания с помощью транзистора VT1 управляет током лазера.

Рис. 3.2. а). размещение выводов лазерного диода; б). схема ALPC

Сгенерированный лазерным диодом луч можно увидеть на фокусирующей линзе в виде красного пятна диаметром около 1 мм. Основная частотная составляющая лазерного луча лежит в невидимом спектре (длина волны 780 нм). Присутствие красного свечения на фокусирующей линзе еще не свидетельствует об исправности лазерного диода. Категорически запрещается смотреть прямо на линзу, потому что луч, сфокусировавшись на сетчатке глаза, может ее повредить. Человеческий глаз - намного ценнее проигрывателя! В неисправных ЛГ можно наблюдать рассеянное свечение на всей поверхности линзы. Это связано с потерей когерентности луча.

Настройка: Рабочий ток лазерного диода можно узнать по этикетке на корпусе оптического блока или по документации (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Этикетка на оптическом преобразователе фирмы Sony

Три последние нижние цифры, деленные на 10, обозначают ток в миллиамперах (44,6 мА). Измерить ток лазера I можно миллиамперметром, включенным последовательно в цепь питания лазерного диода, но гораздо удобнее измерять ток по падению напряжения DU на ограничительном резисторе в цепи питания лазера (R2 на рис. 3.2). Ток определяют по закону Ома: I=DU/R2.

В среднем ток лазера составляет 50 мА. Со временем лазерные диоды деградируют, теряя эмиссионную способность, "садятся" (в основном после 5-10 лет эксплуатации). Если лазер "подсевший", то амплитуда с фотодатчиков занижена и недостаточна для обеспечения нормального уровня сигналов EFM, FE, FOK. Из-за этого возможны выпадение аудиоданных и, как результат, плохое считывание дисков и треск на аудиовыходе. Также нужно иметь в виду, что амплитуда сигнала с датчиков при использовании CD-R болванок в 1,5-2 раза ниже, чем в обычных дисках. Поэтому, чтобы "подсевший" диод излучал луч требуемой мощности, нужно увеличивать ток до 70. 80 мА. Поступать так можно только в исключительных ситуациях, удостоверившись, что другого выхода нет. При увеличении тока до 70. 80 мА деградация диода возрастает и соответственно резко уменьшается срок службы. На практике такие диоды работают не более 1-2 лет. При увеличении тока до 100. 120 мА диод перегревается и моментально выходит из строя. Замена лазерного диода невозможна и придется полностью менять оптический блок.

Нежелательно изменять ток лазера без измерительного прибора, потому что в некоторых позициях ползунка регулятора ток может превысить 100. 120 мА.

При замене лазерной головки (оптического блока) нужно иметь в виду, что лазер может быть поврежден статическим электричеством. В новых ЛГ диод закорочен на корпус. При установке перемычку нужно отпаять, чтобы не повредить ALPC.

Кроме своего основного назначения, сигнал блочной синхронизации используется еще и для управления двигателем вращения диска. Схема формирования сигнала управления показана на рис.5, а временные диаграммы ее работы – на рис.6.

На один из входов фазового дискриминатора ФД, в качестве которого использован обычный элемент И, подается сигнал частоты следования блоков, который формируется на основе тактовой частоты, выделяемой из воспроизводимого потока информации. Поскольку этот сигнал нестабилен и зависит от скорости вращения диска, он обозначается символом F˜_бл.

На другой вход ФД поступает сигнал блочной частоты F_бл = 75 Гц, полученный делением сигнала F_т = 4,3218 МГц, формируемого кварцевым генератором

F_бл = F_кадр/98 = F_т/588/98 = 4,3218 МГц/588/98 = 75 Гц.

Система отрегулирована так, что F˜_т = F_т при сдвиге фаз между сигналами F˜_бл и F_бл, равном 90˚ (рис.6 а,б,в). Тогда на его выходе будут формироваться импульсы шириной в четверть периода частоты F_бл.

Если двигатель начнет вращаться слишком быстро, то F˜бл больше, чем на 90˚. При этом ширина импульсов на выходе ФД уменьшится, что заставит двигатель снизить обороты (рис.6 а,г,д).

Если скорость вращения станет слишком мала, то F˜бл окажется сдвинутой относительно Fбл на угол меньший чем 90˚. Ширина импульсов на выходе ФД при этом увеличится и двигатель начнет вращаться быстрее (рис.6 а,е,ж).

Согласующее устройство в соответствии со своим названием служит для согласования выходного сигнала ФД с рабочими характеристиками используемогодвигателя.

Наличие такой системы регулирования позволяет предельно снизить требования к двигателю. Никакой точности и стабильности вращения от него не требуется, лишь бы подходил по габаритам и мощности. А тот факт, что считанный сигнал нестабилен во времени, никакой роли не играет, так как для борьбы с этим явлением используется очень эффективное средство – буферное запоминающее устройство или буферная память, которая реализуется на основе ЗУПВ (запоминающее устройство с произвольной выборкой). В буферную память информация записывается по мере ее поступления от демодулятора, т.е. с неравномерной скоростью, а считывается с помощью сигналов, сформированных кварцевым генератором – строго равномерно.

Благодаря наличию буферной памяти проигрыватель компакт-дисков (так же, впрочем, как и любой другой цифровой источник звуковых программ) избавлен от извечного недостатка аналоговой записи, связанного с неравномерностью вращения (перемещения) носителя – детонации, т.е. более или менее заметного на слух «плаванья» звука.

Из-за того что блок управления двигателем, вращающим диск, поддерживает скорость потока считанной с него информации вблизи 4,3218 Мбит/с, количество символов, поступающих на вход ЗУПВ, колеблется с некоторым рассогласованием вокруг величины, равной количеству символов, считываемых с его выхода. Допустимая величина упомянутого рассогласования зависит от объема ЗУПВ. Чем больше объем памяти, тем большие отклонения скорости вращения от номинальной допустимы.

В первых моделях CD-проигрывателей, выпускавшихся в начале 80-х годов, использовалась память объемом 2-4 кбайт. Микросхемы большей емкости были тогда чересчур дорогими. К концу 90-х годов ситуация изменилась. Память значительно подешевела и поэтому некоторые производители стали позволять себе применение ЗУПВ объемом в несколько мегабайт. Причем, что казалось интересным – в относительно недорогих переносных моделях. Такая, на первый взгляд, неоправданная роскошь имеет свой глубокий смысл. Благодаря такому большому объему памяти появилась возможность организовать на ее основе системы восстановления процесса воспроизведения фонограммы, прерванного из-за механического воздействия на работающий проигрыватель. Такие системы известны как системы электронной защиты от ударов. Смысл защиты состоит в том, что если оптическая головка потеряла считываемую дорожку в результате удара, то за время, пока из памяти извлекается информация, записанная туда до срыва, головка успевает заново найти нужное место и продолжить воспроизведение. После этого, чтобывосполнить израсходованный за время поиска запас информации в ЗУПВ, скорость вращения в несколько раз увеличивается до тех пор, пока память не заполнится до половины своего объема.

Многие фирмы-производители разрабатывают свои собственные варианты такой защиты, отличающиеся как способом поиска нужного места на дорожке, так и способом сопряжения информационного потока в месте разрыва. Поэтому и системы электронной защиты в их изделиях часто имеют свои собственные «фирменные» названия. Например, у фирмы SONY она называется ESP (Electronic Shock Protection), у фирмы MATSUSHITA (TECHNICS, PANASONIC) – ASM (Antishock Memory), у фирмы PHILIPS – ESA (Electronic Shock Absorbtion).

Похоже, CD-приводы уже достигли предельной скорости. Потому-то они и издают звук, скорее напоминающий рев взлетающего истребителя, нежели функционирование высокотехнологичного устройства. Компакт-диски каким-то чудом выживают, но иногда их все же разрывает на куски чудовищная центробежная сила — производная избыточных оборотов. Прошедшие через это пользователи с тревогой вглядываются в любые чуть заметные трещинки в поликарбонате, опасаясь очередной аварии. Ну а что же производительность — определяется ли она числом оборотов двигателя CD-привода.

Многим, наверное, знакома ситуация, когда время инсталляции с кое-как сделанного диска стремится к бесконечности, потому что лазерная головка не в состоянии распознать затертые или слабо выраженные питы, мчащиеся мимо нее на неимоверной скорости. Тогда как на менее скоростных приводах те же диски читаются сносно. А потому проблема понижения скорости некоторых слишком уж ретивых приводов стоит так же остро, как когда-то проблема повышения производительности их предков.

Впрочем, высокая скорость вращения является причиной не только ухудшения надежности чтения, разрушения дисков и последующего ремонта привода, но и высокого уровня шума. Вы пробовали как-нибудь вечерком послушать тихую музыку на дешевом скоростном приводе — под аккомпанемент периодических подвываний набирающего обороты двигателя? Вряд ли это доставит вам удовольствие. Скоростной привод, разогнавшись, вмиг проглатывает небольшой фрагмент данных, после чего так же резво сбрасывает обороты. Ситуация повторяется при считывании следующей порции информации. Назойливый шум, а то и судорожные вибрации корпуса гарантированы, хотя для проигрывания музыки высокая скорость вообще не нужна.

Всё на поверхности
Работу привода CD-ROM определяют два фактора: качество дисков и добротность самого устройства. Бывает, попадаются диски с довольно-таки неприглядной наружностью, то бишь поверхностью. До такого состояния они доводятся либо самими пользователями, либо, при кустарном производстве, появляются на свет уже испохабленными. Если ваш привод вдруг стал работать нестабильно, прежде всего проверьте поверхность диска. Вполне возможно, что она окажется со сбойными участками, нечитаемыми на штатной скорости привода.

Эту ситуацию лучше всего проиллюстрировать на примерах. Взгляните на рис. 1. Испещренная глубокими провалами, как зубастая пасть некоего чудовища, кривая для CD-ROM’a, запущенного на его штатных скоростях 40х, — не что иное, как график, на котором отображается реальная скорость чтения данных по всей поверхности диска. Вы когда-нибудь видели такую дикую пляску скорости? А записан на диске всего один avi-файл — фильм в формате MPEG-4. Теперь ясно, почему посреди картины вдруг «включаются тормоза» и звук убегает от изображения?

3.4. ПАМЯТЬ КОМПЬЮТЕРА

НАКОПИТЕЛИ НА ЖЕСТКИХ МАГНИТНЫХ ДИСКАХ

Разобранный жёсткий диск Samsung HD753LJ

(модель ёмкостью 750 ГБ, произведен в марте 2008 года)

Накопитель на жёстких магнитных дисках или НЖМД (англ. Hard ( Magnetic ) Disk Drive , HDD , HMDD ), жёсткий диск, винчестер — устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые, керамические или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В НЖМД используется от одной до нескольких пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Название «Винчестер»

По одной из версий, название «винчестер» накопитель получил благодаря фирме IBM, которая в 1973 году выпустила жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инженеры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 МБ каждый. Кеннет Хотон , руководитель проекта, по созвучию с обозначением популярного охотничьего ружья « Winchester 30-30» предложил назвать этот диск «винчестером». В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус, а в компьютерном сленге сократилось до слов «винт» (наиболее употребимый вариант).

Характеристики

Интерфейс (англ. interface ) — совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил (протокола) обмена. Серийно выпускаемые жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA, SCSI, SAS, FireWire, USB, SDIO и Fibre Channel .

Ёмкость (англ. capacity ) — количество данных, которые могут храниться накопителем. Ёмкость современных устройств достигает 2000 Гб (2 Тб). В отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину, производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2 ГБ.

Физический размер (форм-фактор). Почти все современные (2001—2008 года) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма — под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах и ноутбуках. Также получили распространение форматы 1,8 дюйма , 1,3 дюйма , 1 дюйм и 0,85 дюйма . Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов .

Время произвольного доступа (англ. random access time ) — время, за которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик — от 2,5 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 мс), самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5).

Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed ) — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об / мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).

Надёжность (англ. reliability ) — определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF). Также подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологию S.M.A.R.T.

Количество операций ввода-вывода в секунду — у современных дисков это около 50 оп/с при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп . / с ек при последовательном доступе.

Потребление энергии — важный фактор для мобильных устройств.

Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.

Сопротивляемость ударам (англ. G - shock rating ) — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate ) при последовательном доступе:

· внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/ с ;

· внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/ с .

Объём буфера — буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В дисках 2009 года он обычно варьируется от 8 до 64 Мб.

Производители

Устройство

Схема устройства накопителя на жёстких магнитных дисках.

Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя.

Блок головок — пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика — окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения держатся в секрете. Большинство бюджетных устройств содержит 1 или 2 пластины, но существуют модели с большим числом пластин.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (3600, 4200, 5400, 7200, 10 000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин. Шпиндельный двигатель жёсткого диска трехфазный, что обеспечивает стабильность вращения магнитных дисков, смонтированных на оси (шпинделе) двигателя. Статор двигателя содержит три обмотки, включенные звездой с отводом посередине, а ротор — постоянный секционный магнит. Для обеспечения малого биения на высоких оборотах в двигателе используются гидродинамические подшипники.

Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных неодимовых постоянных магнитов или электромагнитов, а также катушки на подвижном блоке головок.

Вопреки расхожему мнению, внутри гермозоны нет вакуума. Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом; а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а также при прогреве устройства во время работы.

Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр — пылеуловитель.

Блок электроники

В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управления шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала.

Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жёсткого диска с остальной системой.

Блок управления представляет собой систему управления, принимающую электрические сигналы позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя), приёма и обработки сигналов с датчиков устройства (система датчиков может включать в себя одноосный акселерометр, используемый в качестве датчика удара, трёхосный акселерометр, используемый в качестве датчика свободного падения, датчик давления, датчик угловых ускорений, датчик температуры).

Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.

Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет увеличить скорость работы накопителя.

Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например, метод PRML ( Partial Response Maximum Likelihood — максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнение принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец, наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.

Низкоуровневое форматирование

На заключительном этапе сборки устройства поверхности пластин форматируются — на них формируются дорожки и секторы. Конкретный способ определяется производителем и/или стандартом, но, как минимум, на каждую дорожку наносится магнитная метка, обозначающая её начало.

Геометрия магнитного диска

С целью адресации пространства поверхности пластин диска делятся на дорожки — концентрические кольцевые области. Каждая дорожка делится на равные отрезки — секторы. Адресация CHS предполагает, что все дорожки в заданной зоне диска имеют одинаковое число секторов.

Цилиндр — совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жёсткого диска. Номер головки задает используемую рабочую поверхность (то есть конкретную дорожку из цилиндра), а номер сектора — конкретный сектор на дорожке.

Чтобы использовать адресацию CHS, необходимо знать геометрию используемого диска: общее количество цилиндров, головок и секторов в нем. Первоначально эту информацию требовалось задавать вручную; в стандарте ATA-1 была введена функция автоопределения геометрии (команда Identify Drive ).

Особенности геометрии жёстких дисков со встроенными контроллерами

Зонирование

Резервные секторы

Для увеличения срока службы диска на каждой дорожке могут присутствовать дополнительные резервные секторы. Если в каком либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменён резервным (англ. remapping ). Данные, хранившиеся в нём, при этом могут быть потеряны или восстановлены при помощи ECC, а ёмкость диска останется прежней. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая — в процессе эксплуатации. Границы зон, количество секторов на дорожку для каждой зоны и таблицы переназначения секторов хранятся в ЗУ блока электроники.

Логическая геометрия

По мере роста емкости выпускаемых жёстких дисков их физическая геометрия перестала вписываться в ограничения, накладываемые программными и аппаратными интерфейсами. Кроме того, дорожки с различным количеством секторов несовместимы со способом адресации CHS. В результате контроллеры дисков стали сообщать не реальную, а фиктивную, логическую геометрию, вписывающуюся в ограничения интерфейсов, но не соответствующую реальности. Так, максимальные номера секторов и головок для большинства моделей берутся 63 и 255 (максимально возможные значения в функциях прерывания BIOS INT 13h), а число цилиндров подбирается соответственно ёмкости диска. Сама же физическая геометрия диска не может быть получена в штатном режиме работы и другим частям системы неизвестна.

Технологии записи данных

Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.

В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряженности магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).

Метод параллельной записи

На данный момент это всё ещё самая распространенная технология записи информации на НЖМД. Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая, проходя над поверхностью вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.

Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см². В настоящее время происходит постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.

Метод перпендикулярной записи

Метод перпендикулярной записи — это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современных образцов — 60 Гбит/см².

Жёсткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.

Метод тепловой магнитной записи

История прогресса накопителей

· 1980 год — первый 5 ,25 - дюймовый Winchester , Shugart ST-506, 5 Мб .

· 1981 год — 5,25-дюймовый Shugart ST-412, 10 Мб.

· 1986 год — стандарты SCSI, ATA(IDE).

· 1991 год — максимальная ёмкость 100 Мб.

· 1995 год — максимальная ёмкость 2 Гб.

· 1997 год — максимальная ёмкость 10 Гб.

· 1998 год — стандарты UDMA/33 и ATAPI.

· 1999 год — IBM выпускает Microdrive ёмкостью 170 и 340 Мб.

· 2002 год — стандарт ATA/ATAPI-6 и накопители емкостью свыше 137 Гб.

· 2003 год — появление SATA.

· 2005 год — максимальная ёмкость 500 Гб.

· 2005 год — стандарт Serial ATA 3G (или SATA II).

· 2005 год — появление SAS (Serial Attached SCSI).

· 2006 год — применение перпендикулярного метода записи в коммерческих накопителях.

· 2006 год — появление первых «гибридных» жёстких дисков, содержащих блок флеш-памяти.

· 2007 год — Hitachi представляет первый коммерческий накопитель ёмкостью 1 Тб.

· 2009 год — на основе 500-гигабайтных пластин Western Digital , затем Seagate Technology LLC выпустили модели ёмкостью 2 Тб.

· 2009 год — Western Digital объявила о создании 2,5-дюймовых HDD объемом 1 Тб (плотность записи — 333 Гб на одной пластине)

Читайте также: