Root » Servers » » Harde schijf » » Diverse » » Werking
Hoe werkt een harde schijf
Hoe worden de gegevens opgeslagen?
Werking
De construktie van harde schijven is niet veel veranderd in de loop der jaren. Je hebt een aantal magnetische plateaus die de informatie dragen. De informatie wordt in concentrische sporen geschreven. De leeskop zit op het einde van een arm dat de volledige oppervlakte van de plaat bestrijkt.

De codering van de gegevens voor de opname wordt op een nieuwe pagina besproken.

Algemene constructie

Oude harde schijf

Moderne harde schijf

Zicht op de actuator of spreekspoel

Oudere harde schijven hadden een stappenmotor om de kop naar het juiste spoor te brengen. Een stappenmotor is een speciale motor dat in stappen beweegt: iedere stroompuls doet de motor (bijvoorbeeld) een kwartslag draaien. Door het juist aantal pulsen te geven kon men de arm naar de juiste spoor bewegen.
    Dit systeem had talrijke beperkingen:
  • mechanische toleranties: bij slijtage kwam een motorpositie niet meer precies overeen met een spoor
  • motortoleranties: een stappenmotor heeft slechts een beperkt aantal stappen per omwenteling, waardoor de schijf ook maar een beperkt aantal sporen kan hebben. Met zgn. microstepping kon men dit euvel beperken.
  • traagheid: een stappenmotor kan slechts een beperkt aantal stappen per seconde zetten
  • geen feedback: als door slijtage de kop niet precies op de spoor zit, kan dit niet door de motor gecorrigeerd worden (die werkt immers met vaste stappen).
Nieuwe harde schijven werken allemaal met een spreekspoel (voice coil), te vergelijken met de spreekspoel dat in luidsprekers gebruikt wordt. De juiste technische benaming is actuator.

De eerste foto toont een oudere harde schijf (klik op de foto voor een uitvergroting): de steppenmotor zit links vooraan en drijft de koppenhouder aan door middel van een complexe, thermisch gecompenseerde overbrenging.

Bij een spreekspoel wordt een gelijkspanning gebruikt om de kop te bewegen: positief en de arm beweegt naar buiten, negatief en de arm beweegt naar binnen. De grootte van de spanning bepaalt de bewegingssnelheid. Door de spanning te verlagen (of zelfs door kortstondig een spanningspuls met de omgekeerde polariteit te geven) kan men de kop afremmen zodat het mooi tot rust komt boven het juiste spoor.

Omdat bij dit systeem geen positiebepaling ingebouwd is (de spreekspoel beweegt vloeiend en niet in stappen zoals bij de stappenmotor) moet er een systeem gevonden worden om de kop precies boven de juiste spoort te positioneren (maar daarover meer later). Bij spreekspoelaandrijving vervalt de complexe thermische compensatie van de overbrenging, maar zijn er andere electronische schakelingen bijgekomen.

De kop


Kop van een oude harde schijf
De schijven draaien aan een snelheid van 5400 tot 15.000 toeren per minuut. Vaak aan 7200 toeren voor de huidige basisschijven en 5400 voor schijven die voor video-streaming toepassingen gebruikt worden in videorecorders met harde schijf. Dat wil zeggen dat de magnetische plateaus aan een snelheid van meer dan 250 km per uur onder de kop vliegen. Een van de eerste problemen dat opgelost moest worden is het beperken van de slijtage van de kop en de magnetische laag. Als je weet dat je de banden van je auto om de 30.000 kilometer moet vervangen, reken uit hoe vaak je de kop zou moeten vervangen…

Dit probleem werd opgelost door de kop boven de schijfoppervlakte te laten vliegen. Door de ceramische kophouder een welbepaalde vorm te geven kon men de kop boven de draaiende schijf laten zweven. De intense luchtverplaatsing dat door de draaiende schijf wordt veroorzaakt zorgt ervoor dat de kop juist boven de schijfoppervlakte zweeft.

Als je goed naar de foto's kijkt zal je merken dat de kophouder ingesneden is. Lucht stroomt door deze sleuf en tilt de kop op. Er zit zelfs een ingebouwde correctiemechanisme in: als de kop te hoog zou vliegen, dan lekt er meer lucht langs de zijkanten. Als de kop te laag zou vliegen, dan wordt de lucht meer samengedrukt en duwt dan de kop sterker naar boven.



Door middel van een veer wordt de kop met een kracht van meer dan 250 gram tegen de plaat gedrukt! De luchtverplaatsing is in staat deze druk volledig tegen te werken, al is de kophouder slechts een milimeter groot.

Om het verschil in luchtsnelheid (en dus opwaartse lift) te compenseren wordt de as van het koppenmechanisme wat scheef gemonteerd, zodat de veer harder op de kop duwt aan de buitenkant en minder aan de binnenkant.

De harde schijven zijn niet luchtdicht, maar de lucht kan via een filter in en uit de behuizing stromen. In hoger gelegen gebieden is de lucht ijler en zweeft de kop dichter tegen de oppervlakte van de schijf. Vanaf 6000m (dit hangt oook af van schijf tot schijf) kan de kop niet meer zweven, de luchtdruk is te laag geworden. De schijf kan nog wel opstarten, maar van zodra de kop naar de magnetische laag wordt getrokken zal de kop crashen.

Opname en weergave

De eerste koppen waren vergelijkbaar met een electromagneet die de magnetische laag op die plaats volgens de ene of de andere richting magnetiseerde. Bij weergave werd er in de kop een zwak signaal geproduceerd dat dan verder versterkt en verwerkt kon worden. De opname op disk gebeurde longitudinaal, zoals bij een bandrecorder. De magnetische zones kunnen niet onbeperkt klein gemaakt worden, anders kan het magnetisme verdwijnen.

Door een asymmetrische constructie van de kop te gebruiken kon men perpendiculair opnemen (in de diepte). De zones zitten nu vertikaal in plaats van horizontaal en hebben dezelfde minimale oppervlakte. Door perpendiculair op te nemen kan men de capaciteit opvoeren, zonder dat de magnetische zones te klein worden. De drager is nu een speciale magnetisch geleidende laag. De "retourleiding" gebeurt via een brede deel van de kop en dit heeft een wiswerking op de magnetische laag (vanwege de codering: zie lager). Deze delen zullen direct ook beschreven worden door het smalle deel van de kop: het "wissen" via het brede deel is geen minpunt.

Al snel kwam men tot de conclusie dat één kop niet ideaal was voor zowel opname als weergave. Hifi decks hadden ook aparte koppen voor opname en weergave. De kop van een harde schijf bestaat dus uit twee systemen: de originele kop met wikkeling voor de opname, en een magneto-resistief element voor de weergave. Een magneto-resistieve kop heeft als voordeel dat het een signaal aflevert dan minder onderhevig aan ruis omdat de kleinere kop het signaal beter kan opvangen. Dankzij natuurkundige fenomenen (kwantum mechanika) is een magnetoresistieve kop in staat een veel sterker signaal te leveren dan een electro-magnetische kop. Terwijl een electromagnetische kop een spanning aflevert, veranderd de weerstand van een magneto-resistieve kop naargelang de magnetisatie. De resistieve kop zit afgeschermd tussen de electromagnetische kop een een afschermplaatje.

Tracking

Keramische kophouder

Oude, magnetische kop
Hoe kan de kop precies het juiste spoor volgen? In tegenstelling met de stappenmotor dat met een aantal discrete stappen werkt, werkt de spreekspoel continu, zonder vaste posities. Ieder datablok wordt voorafgegaan door een adresblok, maar dit is niet voldoende om de spoor effektief te kunnen volgen: het servosysteem moet kunnen weten hoe goed de kop het spoor volgt.

Men kan niet de signaalsterkte gebruiken om de juiste positie op het spoor te bepalen omdat deze informatie onbetrouwbaar is. De sporen worden tegen elkaar geschreven, waardoor je eigenlijk nooit een onbeschreven zone hebt. Een zwakker signaal wordt veroorzaakt door een verontreiniging, niet door de kop die naast het spoor zit!

De gebruike methode wordt ook toegepast bij het V2000- en video-8 systeem: namelijk de overspraak van naburige sporen. De precieze methode varieert van fabrikant tot fabrikant en is een produktiegeheim, maar dit zijn de grote lijnen:

  • Een klokfrekwentie dat lichtjes afwijkt voor iedere spoor. In het vorig hoofdstuk zag je dat de bits geschreven worden met een zekere kloksnelheid. Men kan deze frekwentie lichtjes laten wijzigen van spoor tot spoor. Eigenlijk heeft men genoeg met 4 frekwenties: laten we 10, 11, 12 en 13MHz gebruiken (waarden zijn louter ter verduidelijking). Deze drie frekwenties volgen elkaar op: één spoor wordt opgeschreven met een klokfrekwentie van 10MHz, de volgende met klokfrekwentie van 11MHz, de derde met frekwentie van 13MHz, en de vierde met 12MHz.
  • Bij verkeerde tracking is er overspraak. Als de kop niet precies op de juiste spoor zit, dan zal het informatie van de naburige spoor ook oppikken. Zit de kop op een spoor met frekwentie 10MHz, dan is de overspraak ofwel 12MHz ("niet ver genoeg") ofwel 11MHz ("te ver"). Het mengprodukt is ofwel 1 ofwel 2MHz. Door te vergelijken welk mengprodukt het sterkst aanwezig is, kan men de kop nauwkeurig bijsturen. Doorgaans zal men de frekwenties zodanig kiezen dat de mengprodukten geen veelvouden van elkaar zijn zodat het systeem ongevoelig is voor harmonische vervormingen. Een dropout (vermindering van het magnetisme door verontreinigingen) zal ook de nabijgelegen sporen aantasten, waardoor de relatieve signaalsterkte nagenoeg constant blijft.
Om snel van spoor te veranderen (begin van de schijf naar het einde) wordt de leesarm bewogen, en telt het controle-systeem het aantal pieken en dalen in het mengprodukt. Iedere piek komt overeen met een tussenspoor. Het meten van een piek in het hoofdsignaal (dus 10, 11 12 of 13MHz in ons voorbeeld) is waardeloos, omdat de sporen tegen elkaar geschreven worden en variaties in het hoofdsignaal niet kunnen aangeven dat er van spoor veranderd is. Als de juiste spoor in zicht is, wordt de arm afgeremd door een negatieve stroompuls en wordt het servo-systeem opnieuw ingeschakeld. Zit de kop op de verkeerde spoor, dan krijgt de spreekspoel een korte kick-puls om de kop naar de nabijgelegen spoor te doen springen.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's