Diskiniai kaupikliaiNepaisant didelės diskinių kaupiklių įvairovės ir informacijos rašymo bei skaitymo principų, pagrindinis jų mechanizmas yra toks, kaip supaprastintai pavaizduota pav.1. Informacijos nešiklio sluoksnis yra diskų darbiniuose sluoksniuose. Diskus suka ašinis variklis (spindle motor), užtikrinantis tam tikrą sukimosį greitį. Diske yra indeksų žymeklis, specialiu davikliu pažymintis kiekvieną disko apsisukimo pradžią. Informacija diskuose išdėstoma koncentraciniuose tekeliuose (track), kurių numeracija prasideda nuo išorinio (track 00). Kiekvienas takelis suskaidytas į fiksuoto dydžio sektorius (sektors). Sektorius yra minimalus informacijos blokas, kuris gali būti įrašytas arba nuskaitytas iš disko. Sektorių numeracija prasideda vienetu ir derinama prie indeksų žymeklio . Kiekviename sektoriuje yra tam tikros tarnybinės informacijos apie jo adresą, kontrolinius kodus ir pan. Bei duomenų sritis, kurios dydis paprastai 512 baitai. Jei kaupiklyje esti kali darbiniai paviršiai (ašyje gali būti išdėstyti diskų paketas ir kiekviename diske abu paviršiai gali būti darbiniai), tai to paties numerio takelių visuma sudaro šio numerio cilindrą (cylinder). Kiekvienam disko darbiniam paviršiui skirta sava informaciją skaitanti ir rašanti galvutė (head). Galvutės numeruojamos nuo nulio. Kad įvyktų elementari keitimosi duomenimis informacija – sektoriaus skaitymas arba rašymas – ašis turi suktis nustatytu greičiu, galvučių blokas turi būti pastumtas ties tam tikru cilindru ir tik tada, kai tam tikras sektorius priartės prie nurodytos galvutės, tarp galvutės ir kaupiklio elektroninių schemų prasidės keitimasis duomenimis.
Duomenų magnetinis įrašymas Įrašinėjant kiekvieną duomenų bitą magnetiniame diske formuojasi skirtingo įmagnetinimo atkarpė seka. Įrašymo takelio atkarpa, kurioje gali būti įrašyta viena įmagnetinimo ženklo keitimosi zona, vadinama perėjos ląstele (transition cell), arba tiesiog bito ląstele. Tokios ląstelės geometriniai matmenys priklauso nuo įrašo signalo taktinio dažnio ir greičio, kuriuo diskas juda įrašymo galvutės atžvilgiu. Įrašinėjant atskirus duomenų bitus šiose ląstelėse iš ženklo keitimosi zonų formuojasi tam tikram informacijos kodavimo metodu būdingas “ornamentas”. Tai susiję su tuo, kad įrašymo signalas nėra tiksli išeities duomenų impulsų sekos kopija (prieš įrašant, duomenys tam tikru būdu koduojami).
Diskinių kaupiklių komponentės Medžiaga, iš kurios pagamintos diskų plokštės (platter) turi užtikrinti geometrinių matmenų stabilumą. Diskų plokštės gaminamos iš aliuminio. Plokštelių paviršiuje sudaromas darbinis magnetinis sluoksnis (geležies oksidas). Nuo darbinio sluoksnio medžiagos kokybės priklauso didžiausias leistinas informacijos įrašymo tankis. Informacijai rašyti ir skaityti naudojamos magnetinės galvutės, kurios iš esmės yra miniatiūrinės induktyvumo ritės su plyšiu magnetinėje šerdyje. Rašymo metu galvutė įmagnetina magnetinio sluoksnio atkarpą. Įmagnetinimo kryptis priklauso nuo įrašymo srovės krypties (pav.3.) Kai įmagnetintos darbinio paviršiaus atkarpos praeina pro skaitymo galvutę, joje generuojami evj impulsai (e = dL/dt), kurių poliškumas priklauso nuo įmagnetinimo krypties pokyčio. Taigi skaitymo signalo forma yra rašymo signalo išvestinė. Konstrukcijos reikalavimai, keliami rašymo ir skaitymo galvutėms, skiriasi, todėl universalios galvutės yra tam tikras kompromisas tarp jų. Pirmosios indukcinės galvutės buvo vyniojamos, vėliau galvutės pradėta gaminti pagal plonų plėvelių technologiją (TF – Thin Film). Moderniuosiuose kaupikliuose naudojamos magnetorezistyvinės galvutės, kurių veikimas pagrįstas puslaidininkių varžos anizotropija magnetiniame lauke (AMR – Anisotropic MegnetoResistance). Jose magnetorezistyviniu jutikliu teka tam tikra matavimo srovė, kurios stiprumo kitimas proporcingas darbinio paviršiaus atkarpos įmagnetinimui. Skirtingai nuo indukcinių galvučių magnetorezistyvinė generuoja signalą, proporcinga įrašymo signalui, o ne jo išvestinei. Magnetorezistyvinės skaitymo galvutės kombinuojamos su indukcinėmis rašymo galvutėmis. Diskų sukimosi greitis skirtinguose kaupikliuose skiriasi. Diskiniuose kaupikliuose mažiausias greitis 3600 min-1, standartinis greitis 5400min-1 – 7200min-1. Tačiau esant dideliems sukimosi greičiams, kyla balansavimo, giroskopinio efekto ir galvučių aerodinamikos problemų. Esant magnetinėms galvutėms labai svarbu, kokiu atstumu jos išdėstytos virš magnetinio sluoksnio paviršiaus. Kaupikliuose, kuriuose diskų sukimosi greičiai dideli, galvutės virš darbinių paviršių aerodinaminės keliamosios jėgos palaikomos per mikroskopinius tarpelius. Galvutės “kritimas” ant darbinio paviršiaus, diskui sustojus, gali pažeisti ir pačią galvutę, ir diską. Kad taip neįvyktų, ne darbo metu galvutės išvedamos (parking) į nedarbinę zoną, kur leistinas jų nusileidimas. Senuosiuose kaupikliuose toks galvučių išvedimas buvo būtinas, ir jį inicijuodavo programinė įranga. Jam vykdyti tarp kaupiklio parametrų reikėjo nurodyti “parkavimo” cilindro numerį (Landing Zone, arba Lzone). Moderniuosiuose kaupikliuose galvutės “parkuojamos” automatiškai, iki tam tikros reikšmės sumažėjus maitinimo įtampai arba ašies sukimosi greičiui. Tokiuose kaupikliuose Lzone parametro nepaisoma. Be to, galvutės neišvedamos į darbo zoną tol, kol bus pakankamas sukimosi greitis.
Galvučių padėčiai į t am tikrą cilindrą nustatyti senuosiuose diskiniuose kaupikliuose naudojami žingsniniai varikliai. Šių variklių veleną, siunčiant tam tikrą impulsų skaičių, galima apsukti nurodytu kampu. Kampinis (sukamasis) judėjimas į tiesinį keičiamas sliekine arba juostine pavara. Automatinio sistemų valdymo požiūriu pavara su žingsniniu varikliu yra atviroji sistema (nėra grįžtamojo ryšio). Tokioje sistemoje neįmanoma klaidų korekcija. Visuose keitimosi duomenimis operacijose tikrinamas cilindro numeris ir jeigu jis nesutampa su tam tikru, galvučių padėtis nustatoma iš naujo – grįžtama į nulinį cilindrą ir siunčiami tam tikro žingsnio impulsai. Galvučių padėties į nulinį cilindrą kontroliuojamas specialiu nulinio cilindro jutikliu ( dažniausiai tai būna optopora). Moderniuosiuose kaupikliuose naudojama judančių ričių (voice coil actuator) galvučių pavara, kuri veikia pagal megnetoelektrinės sistemos elektrinių matavimo prietaisų principą. Tokioje pavaroje galvučių blokas susietas su induktyvumo rite, ši patalpinta į nuolatinio magneto lauką. Daugumoje moderniųjų diskinių kaupiklių naudojama sukimosi pavara (pav.4.), čia, valdant srovės kryptį ir stiprį, galvučių bloką galima išdėstyti bet kur, o ne pagal fiksuotus žingsnius. Tačiau tokioje sistemoje būtinas grįžtamasis ryšys – informacija apie esamą galvutės padėtį. Pavara, užtikrinanti tikslų galvutės padėties nustatymą pagal grįžtamojo ryšio signalą, vadinama servopavara ( sekos pavara). Valdymo sistemą šiuo atveju pavyko uždaryti išdėstant pagalbinę “nutaikymo” informaciją – tarnybines žymes (servožymes) – pačiame diske. Kadangi tarnybinės žymės išdėstytos tuose pačiuose diskuose, disko ir pavaros matmenų pokyčiai neturės didelės įtakos galvučių padėties nustatymo tikslui. Tarnybinės žymės įrašomos kaupiklio surinkimo metu. Eksploatacijos metu tarnybinės žymės tik skaitomos. Pagal tarnybinių žymių išdėstymą esti kaupikliai su išskirtu tarnybiniu paviršiumi (servopaviršiumi) (dedicated servo) ir su įtaisytomis vidinėmis tarnybinėmis žymėmis (embedded servo). Pirmuoju atveju vienas darbinis paviršius diskų pakete specialiai išskiriamas tarnybinėms žymėms, o jį atitinkanti galvutė tampa tarnybine (servogalvute). Tokioje sistemoje galvučių padėties nustatymo paklaida gali atsirasti dėl galvučių tarpusavio padėties kitimo bloke (“išlinkimo” – pav.5.), tačiau tai mažai tikėtina. Informaciją sekimo sistemai servogalvutė siunčia iš esmės be perstojo – taip tobulėja paieška. Kad kaupiklyje yra tarnybinis paviršius, rodo neliginis universaliųjų (darbinių) galvučių skaičius. Kaupikliuose su įtaisytomis (vidinėmis) tarnybinėmis žymėmis informacija servopavarai rašoma darbiniuose paviršiuose tarp duomenų sektorių. Ji gali būti išdėstoma kiekvieno takelio pradžioje – šiuo atveju diske susidaro pleišto formos tarnybinių žymių sritis (pav.6.). Tokio išdėstymo trūkumas yra tai, kad tarnybinė informacija (grįžtamojo ryšio signalas) gaunamas diskrečiai vieną kartą per disko apsisukimą (kai greitis 3600 min-1, sukimosi periodas – 16,7 ms). Tiksliai galvučių padėčiai nustatyti kartais tenka laukti kelis apsisukimus. Spartesnis variantas – tarnybinių žymių išdėstymas prieš kiekvieną sektorių (pav.7.). Šiuo atveju tam tikras takelis randamas mažiau kaip per vieną apsisukimą. Dar vienas įtaisytų tarnybinių žymių privalumas – iš esmės kompensuojamas bet koks geometrinis pokytis, nes sekimo sistema galvutę nutaiko būtent į nurodytą sektorių. Taip pat yra kaupiklių su mišria servosistema, čia, be specialaus išskirtinio tarnybinio paviršiaus (“srvopaviršiaus”), naudojamos darbiniuose paviršiuose išdėstytos tarnybinės žymės. Kaupykliuose su judančiąja induktyvumo rite elementariai išsprendžia automatinio “parkavimo” problemą: išjungus maitinimo įtampą galvučių blokas į išvedimo zoną sugražinamas spyruokle. Senuosiuose kaupikliuose su tiesine pavara galvutėms sugrąžinti buvo naudojama kondensatoriuje sutaupyta elektros energija.