Các thiết kế đầu Đọc/Ghi phổ biến

Khi công nghệ ổ đĩa tiến triển, thì việc thiết kế của các đầu đọc/ghi cũng có bước tiến tương tự. Đó là việc cải thiện các đầu từ đơn giản là các cuộn lõi sắt với các vòng dây uốn (các nam châm điện) ban đầu.

Các thiết kế đầu từ ban đầu gặp phải tình trạng quá to về kích cỡ vật lý và được vận hành ở mật độ ghi rất thấp. Qua nhiều năm, các thiết kế đầu từ đã tiến triển từ các thiết kế có lõi ferrite đơn giản đầu tiên sang các loại có trở từ và trở từ to lớn ngày nay.

Các cơ cấu truyền động đầu từ

Có thể quan trọng hơn bản thân các đầu từ là hệ thống cơ cấu di chuyển chúng: bộ truyền động đầu từ (head actuator). Cơ cấu này di chuyển các đầu từ băng qua đĩa và đặt chúng chính xác ngay trên cylinder thích hợp. Có nhiều cơ chế truyền động đầu từ đang được sử dụng, nhưng tất cả chúng đều rơi vào một trong hai phạm trù cơ bản sau:

Các truyền động motor gối trục (Stepper motor actuators)
Các truyền động cuộn dây âm thanh (Voice coil actuators)

Việc sử dụng loại này hay loại khác của bộ truyền động có những tác động sâu sắc đến hiệu suất và độ tin cậy của ổ đĩa máy tính. Các tác động này không bị giới hạn tốc độ; chúng cũng bao gồm độ chính xác, nhạy cảm với nhiệt độ, vị trí, sự rung xóc và sự đáng tin cậy toàn diện. Bộ truyền động đầu từ là một chi tiết kỹ thuật quan trọng nhất trong ổ đĩa, loại cơ cấu truyền động đầu từ trong ổ đĩa sẽ phản ánh đặc điểm hiệu suất và độ tin cậy của ổ đĩa.

Các bộ truyền động motor gối trục thường được sử dụng trong ổ cứng sản xuất trong thập niên 1980 và đầu thập niên 1990 với dung lượng 100MB hoặc ít hơn. Tất cả các ổ đĩa có dung lượng lưu trữ lớn mà tôi thấy đều sử dụng bộ truyền động cuộn dây âm thanh.

Các ổ đĩa mềm định vị trí các đầu từ của chúng bằng cách sử dụng một bộ truyền động motor gối trục. Độ chính xác của cơ cấu gối trục phù hợp với ổ đĩa mềm bởi vì các mật độ rãnh ghi thường không ở gần như các rãnh ghi của ổ cứng. Mật độ rãnh ghi của một đĩa mềm 1.44MB là 135 rãnh ghi mỗi inch, trong khi ổ cứng có mật độ hơn 5,000 rãnh ghi mỗi inch. Tất cả các ổ cứng được sản xuất hiện nay đều sử dụng các bộ truyền động cuộn dây âm thanh bởi vì motor gối trục không thể đạt được độ chính xác cần thiết.

Các bộ truyền động motor gối trục

Một mô-tơ gối trục là một motor điện mà có thể “gối trục”, hay di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác, với các hâm cơ học hoặc các vị trí bấm-dừng. Nếu kẹp chặt trục quay của một trong những motor này và quay chúng bằng tay, bạn sẽ nghe âm thanh lách cách nhẹ hoặc rì rầm khi motor trượt qua mỗi vị trí hãm.

Các motor gối trục không thể tự xác định vị trí của chúng giữa các vị trí gối trục; chứng chỉ có thể dừng lại ở các vị trí hãm định trước. Các motor rất nhỏ (giữa 1” và 3”) và có thể tạo thành hình vuông, hình trụ hoặc hình phẳng. Các motor gối trục nằm ngoài bộ phận HDA được niêm phong, mặc dù trục quay motor lọt vào HDA thông qua một lỗ được niêm phong.

Các cơ cấu motor gối trục bị ảnh hưởng bởi các vấn đề khác nhau, nhưng vấn đề lớn nhất là nhiệt độ. Ngay khi các platter ổ đĩa nóng lên và lạnh đi, chúng nở ra và co lại, các rãnh ghi trên các platter sẽ di chuyển đến một vị trí rãnh ghi định trước có liên quan. Cơ cấu gối trục không thể di chuyển theo những độ lớn ít hơn một rãnh ghi để sửa các lỗi do nhiệt độ gây ra. Ổ đĩa định vị trí các đầu từ đến một cylinder riêng biệt theo số bước định trước từ motor gối trục.

Cơ cấu tự động nêm (Wedge Servo)

Các ổ đĩa có cơ cấu tự động được điều khiển đầu tiên sử dụng một kỹ thuật gọi là cơ cấu tự động nêm (wedge servo). Trong các ổ đĩa này, thông tin hướng dẫn mã xám được chứa trong một lát “nêm” ổ đĩa ở mỗi cylinder ngay trước dấu chỉ mục. Dấu chỉ mục cho biết đoạn bắt đầu của mỗi rãnh ghi, vì vậy thông tin cơ cấu tự động nêm sẽ được ghi trong PRE-INDEX GAP nằm ở phần cuối của mỗi rãnh ghi. Vùng này được quy định cho dùng sai tốc độ và thường thì không được các bộ điều khiển sử dụng.

Một số bộ điều khiển phải được thông báo rằng ổ đĩa đang sử dụng một cơ cấu tự động nêm để chúng có thể rút ngắn định thời gian sector cho phép vùng cơ cấu tự động nêm. Nếu không được cấu hình đúng, các bộ điều khiển này sẽ không hoạt động khớp với ổ đĩa.

Một vấn đề khác là thông tin cơ cấu tự động chỉ xuất hiện có một lần ở mỗi vòng quay, có nghĩa là ổ đĩa thường cần nhiều vòng quay trước khi chúng có thể xác định và điều chỉnh vị trí đầu từ một cách chính xác. Bởi vì các rắc rối trên, cơ cấu tự động nêm không bao giờ là một thiết kế phổ biến; Nó không còn được sử dụng trong các thiết kế máy tính hiện đại nữa.

Cơ cấu tự động nhúng (Embedded Servo)

Một cơ cấu tự động nhúng là một bước cải tiến của cơ cấu tự động nêm. Thay vì đặt mã cơ cấu tự động trước đoạn bắt đầu của mỗi cylinder, một thiết kế cơ cấu tự động nhúng ghi thông tin cơ cấu tự động trước đoạn xuất phát của mỗi sector. Sự sắp xếp này cho phép các mạch chuyển định vị nhận thông tin hồi tiếp nhiều lần trong một vòng quay, làm cho việc định vị đầu từ nhanh hơn và chính xác hơn. Một lợi thế khác là mỗi rãnh ghi trong ổ đĩa đều có thông tin định vị riêng, do đó mỗi đầu từ có thể điều chỉnh vị trí một cách nhanh chóng và hiệu quả để bù vào bất kỳ sự thay đổi nào trong kích thước platter hoặc đầu từ, đặc biệt là đối với những thay đổi dẫn đến việc căng cơ học hay sự giãn nở do nhiệt.

Hầu hết các ổ đĩa hiện nay sử dụng cơ cấu tự động nhúng để quản lý hệ thống định vị. Như trong thiết kế cơ cấu tự động nhúng, thông tin cơ cấu tự động nhúng được bảo vệ bởi các mạch chuyển ổ đĩa và bất kỳ hoạt động ghi nào cũng sẽ bị chận lại mỗi khi các đầu từ ở bên trên thông tin cơ cấu tự động. Vì vậy. không thể ghi đè lên thông tin cơ cấu tự động bằng định dạng cấp thấp, như một số người nghĩ sai.

Mặc dù cơ cấu tự động nhúng hoạt động tốt hơn so với cơ cấu tự động nêm bởi vì thông tin hồi tiếp của cơ cấu tự động được làm nhiều lần trong một vòng quay của đĩa, một hệ thống cho phép thông tin hồi tiếp cơ cấu tự động liên tục sẽ tốt hơn nhiều.