Първият създаден твърд диск е разработан от фирма IBM. Технически дискът с търговско име RAMAC (random access memory for accounting and control) изглеждал като хладилник и тежал 1 тон. Той имал възможност да съхранява 5 MB информация. Напълно логично постижение за 1956г. Той носил маркировката «30/30», която съответствала на обозначението на популярно оръжие «уинчестър», от тук названието "полазило" твърдите дискове и станало техен синоним. Първия сериен HDD (Hard Disk Drive) станал петинчовият ST-506 с обем 6MB, дело на компанията Seagate през 1979г. Този диск се явява основа на всички съвремени дискове.

Уинчестър или твърдия диск се явява един от важните "железа", съставляващи компютъра и по принцип работата без него е невъзможна. От неговата надежност зависи стабилността на операционната система и други подсистеми. Уинчестърът се отнася към подгрупата на магнитните носители. Своята популярност дължи на високото си бързодействие и плътност на записа в сравнение с оптическите носители.

разположение на отделните части

разглобен твърд диск

Уинчестърът представлява една или няколко кръгли металически неогъващи се пластини, покрити с магнитен слой. Като всяко друго устройство, у унчестъра се открояват следните основни елементи, градящи неговата конструкция:

Стандартният унчестър се състои от хермоблок (HDA – Head Disk Assembly) и печатна платка на електронния блок. Хермоблокът включва в себе си всички механически части (шаси, дискове, двигател), а платката - всичката нужна електроника за управление, без предусилвателя, който стои в хермоблока близо до главите.

В хермоблока се намира шпиндела, а на него са закрепени с притискаща шайба магнитния диск или няколко диска, разположение един над друг. Шпинделът е куплиран с електродвигател. В една равнина с диска се намира въртящо рамо, крепещо магнитните глави. Това рамо се нарича привод и то позиционира главите над повърхността на диска. Конструктивно рамото се позиционира от сервомеханизъм или самото то се явява статор. Хермоблокът трябва да отговаря на повишени изисквания, що се касае чистотата на въздуха в него. Размерът на частиците на праха вътре не трябва да бъде по-голям от 0,3 мкм.

В мобилните компютри разпространение са получили дискове с форм-фактором 2.5".

Магнитен диск

Дисковете представляват пластина от алуминий, стъкло или керамика, върху им нанесен слой висококачествена феромагнетика. Съставът на магнитното покритие е достa сложен за изработка и той се постига с "напрашаване" или "вакуумно напластяване". В първите дискове се използвал железен окис. Оксидният работен слой представлява полимерно покритие от железен окис. Технологията се счита за проста и достъпна. На повърхността на въртяща се заготовка попада железен окис под формата на суспензия, която равномерно се разтича по цялата повърхност. След полимеризация на разтвора, повърхността се шлифова. Следва нанасяне на втори слой, който също бива шлифован и полиран. Покрития на основата на железни окиси и бариеви ферити са спрени от производство и те са история, защото са доста меки. Тази технология датира от средата на '50-те години. Тя обаче не била в сила да постигне диск с голям обем и технологиите извели неин заместител в лицето на работен слой на основата на тънък филм.

Днес нещата са по-сложни и те са обект на фирмена технология. Филмите от металически покрития обезпечават по-висока плътност на записа и здравина на повърхността на диска. Тази технология позволила съществено да се намали процепа между четящата глава и въртящия се диск. Как ще ви прозвучи прoцеп с размери едва 0,04мкм ? Този момент носи тежък акцент заради високата вероятност от външни удари и сътресения причинени на диска, особено при мобилните компютри.

Всеки диск има две работни повърхности. В зависимост от бройката дискове в конструкцията, външните повърхности на крайни дискове може да не се използва поради конструктивни решения.

Филтри

За надеждна и качествена работа на уинчестъра е важно да се осигури защита от прах в корпуса на дисковете и четящите глави. Никога, под никакъв предлог не отваряйте капака на вашия диск и не махайте/отлепвайте от него защитните лепенки. В уинчестъра се използват два въздушни филтъра: един за рециркулация, втория-барометрически. Те не се сменят и винаги са вътре в корпуса. Филтърът за рециркулация чисти вътрешния свят на диска от малки частици и отлюспвания на магнитния слой. Барометрическият филтър изравнява налягането вътре и извън корпуса на диска. Получава се подобие на херметичен блок. Всъщност целта е плътно затваряне на уинчестъра и за херметизация не може да се говори, защото през вентилационните отверстия и филтри прониква влага вследствие на конденз и изпарения. Това води до необходимост от аклиматизация на носителя на информация. Например, производителите препоръчват пълна аклиматизация на диск внесен от улицата с температура -1°С вкъщи, да бъде 15 часа.

Магнитни глави

Главите за четене-запис са важен елемент на твърдия диск. Принципът на действие на тези глави е сходен с работата на главите на (печелищия забрава) магнитофон и до тук, защото изискванията към главите на уинчестъра са по-тежки. Едно от отличията на главите на твърдия диск е малките им размери.

Главата винаги се намира на разстояние от повърхността и то е около 0.13мкм (различните конструкции дискове имат свой размер на процепа) . Това разстояние се постига за сметка на създадения поток от въздух, вследствие на бързото въртене на плочата. Всякаш главата "лети" подета от въздуха и удържа нейното положение. Процеп с тези размери е благоприятствувал увеличение на сигнала при четене и позволил да се намали тока на запис, но поставя под въпрос устойчивостта на устройството към вибрации и удари. Достиженията по намаляване размера на процепа не са достигнали своя критичен минимум и в това отношение се поставя смела прогноза, че в близките няколко години ще се постигне процеп с размер 0.05мкм. Наличие на подобен процеп между главата и диска изисква паркинг на главата, т.е. преместване им зад пределите на работната повърхност. Това е продиктувано от нуждата да се пази повърхността на диска при изключване на компютъра. Стари потребители помнят, че подобна роля играеха програми, които паркираха главите. Тези програми подготвяха диска непосредствено преди изключване. Днес този процес е автоматизиран от самия уинчестър.

При направата на глави се използват три различни технологични варианта, които само ще спомена с няколко думи. Главите биват:

Монолитните глави са спрени от производство. Интересното при композитните глави е, че не използват въздушен поток, а метален сърдечник, който позволява да се подобри конфигурирането на магнитното поле и допълнително да се увеличи плътността на запис. Главите на основата на тънки филми са създадени по метода на фотолитография. Тази технология е достигнала най-висока плътност на записа и позволява да се намали ширината на пътечката.

привод и магнитни глави

Устройство на привода на магнитната глава (head positioner)

Подобно устройство е друга важна част на твърдия диск. От неговия тип зависи скоростта на работа на устройството в цяло. Приводът на практика обезпечава важните параметри: време за позициониране на главите (seek time). В случая се ползват стъпкови мотори, даващи висока точност на позициониране. Приводите биват: линейни и завъртащи се. При завъртащия се привод главите се преместват по окръжност, като пътя им наподобява дъга. Споменете си рамото с дозата на добрия стар грамофон. Линейният привод извършва преместване на главите по радиуса на диска. Наподобява движение на грамофон с тангенциално рамо. Линейният привод има своя плюс, защото е винаги под 90 градуса на пътеката на диска, а това дава по-малка инертност и по-бърза скорост на позициониране. Най-вече подобен механизъм е по-устойчив на външни удари и вибрации, защото се обуславя още с по-добра балансировка. За бързото позициониране на главите в съвременните дискове се използват различни варианти сервоприводи с запис на служебната информация на отделени и/или работни повърхности на диска. В зависимост от подхода на съхранение на тази информация се развили следните системи: отделена, вградена и хибридна сервосистема.

При отделената система информацията се записва на специална повърхност от диска и следователно специална глава за нея. Този подход е скъп, а информацията се записва в завода, но дава високо бързодействие и надеждност.

При вградената система информацията относно позиционирането се записва между блоковете на данни на работната повърхност на диска. Тези системи са евтини, некритични към механически въздействия и колебания на температурата, но губят в бързодействие спрямо отделената.

Хибридните системи съчетават двете гореописани и това им дава преимуществото да ползват техните предимствата.

Печатна платка с електроника за управление

Към всеки диск, по правило закрепена отдолу, се монтира печатна платка, която обезпечава управлението на привода на главите, усилва сигналите на запис-четене. Платката съдържа дешифратор на командите за управление на главите, схеми за стабилизация, функциите за икономия на енергия при отсъствие на запитвания към диска, електронни схеми за управление на шпиндела, схема за обмен на данните между контролерите и др.

Печатната платка се прикрепя към корпуса с винтове и тя е отделяема. Платката се захранва от две напрежения +5V и +12V, a дисковете за мобилни компютри само от +5V . Напрежението от +12V захранва схемите за управление на шпиндела и привода на магнитните глави, останалата електроника се захранва от +5V. Ако шасито на твърдия диск е неметалически, то е необходимо да се замаси към корпуса на компютъра.

печатна платка с електроника за управление

Скорост на въртене

В съвременните устройства на модул за данни и привода на магнитните глави са едно цяло. Всеки съвременен уинчестър съдържа пакет от магнитни дискове, монтирани на една ос. По-старите модели и тези, използвани в мобилни компютри се въртят с скорост 3600 об/мин (Rotations per minute — rpm). Нуждата от повишена скорост на четене/запис довела до увеличение на скоростта на въртене и стъпката се повишила на 4500 об/мин, 5400 об/мин, 7200 об/мин. На пазара има дискове, които се развъртат до работни 10 000 об/мин и тази скорост е пределна. Повишението на скоростта на въртене дава възможност за ускорена работа на цялото устройство, но от друга страна това подлага на изпитание здравината и механическата якост на диска.

Дискът, който виждате разглобен на снимките е Seagate ST32122A Medalist с обем 2111MB. Той е ATA-3 интерфейс, 128kB буфер, работна скорост на въртене 4500 об/мин и трансфер 87MB/s. Дискът до разглобяването бе напълно изправен и работоспособен.