專利名稱：多磁頭并行讀寫硬盤及硬盤多磁頭并行讀寫方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機存儲設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多磁頭并行讀寫硬盤及硬盤多磁頭并行讀寫方法。
背景技術(shù)：
在計算機的存儲體系中，目前仍然使用的是CACHE-內(nèi)存—外存的體系結(jié)構(gòu)，在這三層存儲結(jié)構(gòu)中，其存儲容量成數(shù)量級遞增，單位信息的存儲成本成數(shù)量級遞減，但存儲速度成數(shù)量級遞減。計算機的整體存儲速度符合“木桶效應(yīng)”最矮的木條決定整個桶的容量，因此計算機的存儲速度在很大程度上取決于外存的存儲速度。
硬盤是目前的主要外部存儲介質(zhì)，因此計算機系統(tǒng)的運行效率在很大程度上取決于硬盤與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸速度，在數(shù)據(jù)服務(wù)、圖像處理等業(yè)務(wù)上尤其如此。
今天的計算機在CPU、內(nèi)存和主板等硬件的性能上已經(jīng)獲得了極大的提高，硬盤也同時得到了很大的發(fā)展，比如在減小體積、增大容量方面的發(fā)展是相當快的，其中容量的增大體現(xiàn)得最為突出，但其存儲速度的提高卻相對較慢。在計算機的主要硬件的所有關(guān)鍵指標中，硬盤的數(shù)據(jù)存儲速度已經(jīng)形成了業(yè)界公認的一個嚴重制約計算機整機性能提高的瓶頸。
影響硬盤存儲速度的指標主要有兩個外部傳輸速度和內(nèi)部傳輸速度。前者代表緩存與控制芯片組之間的數(shù)據(jù)交換速度，而后者是磁頭與盤片間的讀寫速度。外部數(shù)據(jù)傳輸速度與硬盤接口有直接關(guān)系，現(xiàn)在的硬盤接口大致上有以下兩類，即IDE/EIDE和SCSI。從IDE/EIDE接口的接口規(guī)范來看，已經(jīng)經(jīng)歷了從UDMA/33、UDMA/66、UDMA/100到UDMA/133幾代的發(fā)展，其相應(yīng)的外部傳輸速度(峰值)分別為33MB/s、66MB/s、100MB/s和133MB/s；而SCSI是一個用于工作站或服務(wù)器的一個硬盤標準接口，其傳輸速度的表現(xiàn)比IDE/EIDE更加出色。SCSI接口一般可分為Ultra、Ultra2、Ultra160和Ultra320四種，其中Ultra的傳輸速度為40MB/s，Ultra2為80MB/s，而Ultra160則為160MB/s，Ultra320更是高達320MB/s。而且，從長遠來看，其繼續(xù)發(fā)展也完全沒有問題。內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度是由硬盤的機械性能決定的，目前硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度一般在20MB/s-40MB/s之間，最高的也只有50MB/s左右。
從以上數(shù)據(jù)不難看出，硬盤存儲速度的瓶頸是硬盤的內(nèi)部傳輸速度，在內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度沒有得到提高的情況下，單純提高外部數(shù)據(jù)傳輸速度是沒有太大意義的，例如UDMA/66的傳輸速度由于受內(nèi)部傳輸速度的限制，其實際傳輸速度遠遠達不到66MB/s，至于UDMA/100和UDMA/133更只是提供一種技術(shù)前景。在目前的情況下，要解決的主要問題是提高硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度，要提高硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度，就必須提高機械裝置的效率。
硬盤內(nèi)部傳輸速度主要取決于磁頭從盤片上讀寫數(shù)據(jù)的速度，影響硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度的因素有多個，它們分別是盤片主軸轉(zhuǎn)速、磁頭的尋道速度、盤片的數(shù)據(jù)存儲密度、磁頭的讀寫速度、磁頭的數(shù)量以及緩存的容量。要提高硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度就要從這幾個方面著手，但這幾個方面在目前的技術(shù)條件下，有些是受到一定的制約的，很難有較大的發(fā)展，或者即使有發(fā)展，但對硬盤的內(nèi)部傳輸性能也不會有很大提高。
目前磁頭的讀寫還有兩種多磁頭系統(tǒng)方式的，一種是一個硬盤內(nèi)有多片盤片，每片盤片的每個盤面上有一個讀寫磁頭，但這種多磁頭系統(tǒng)的每個磁頭不是并行工作的，在任何時刻只有一個磁頭在進行讀寫操作，因此它對改善硬盤的傳輸性能沒有任何幫助，這種多磁頭系統(tǒng)的作用僅僅是提高了整個硬盤的存儲容量。另一種多磁頭系統(tǒng)為磁盤陣列，如RIADO或RIADO+1，均可成倍提高硬盤系統(tǒng)的傳輸性能，這個技術(shù)很早就出現(xiàn)了，但需要在機器中需要增加硬盤陣列控制卡等相關(guān)的硬件設(shè)備，由于價格昂貴，目前主要用在服務(wù)器上，并且這種方式并未提高單個硬盤的傳輸速度，未能發(fā)揮目前高速的外部傳輸速度的優(yōu)勢。
自從1973年IBM發(fā)明了Winchester(溫徹斯特)硬盤以來至今的近30年時間里，硬盤的核心機械結(jié)構(gòu)部份的基本原理始終沒有脫離“溫徹斯特”模式?！皽貜厮固亍蹦Ｊ降木枋恰懊芊狻⒐潭ú⒏咚傩D(zhuǎn)的鍍磁盤片的每個存儲面上有一個沿盤片徑向移動的磁頭”，也就是說每個盤面上只有一個讀寫磁頭，這其實就是目前硬盤內(nèi)部傳輸性能不佳的主要原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是要針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種多磁頭并行讀寫硬盤及硬盤多磁頭并行讀寫方法，這時可在不影響其它性能的情況下可成倍提高磁盤的讀寫速度，進而成倍提高硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度。
解決本發(fā)明技術(shù)問題所要采用的技術(shù)方案是該多磁頭并行讀寫硬盤包括磁頭臂、磁頭、存儲盤片，在每片存儲盤片上的每個存儲面上安裝多個讀寫磁頭，并讓這些讀寫磁頭并行工作連接到讀寫電路。由于它是由多個磁頭同時對同一片磁盤進行并行讀寫，在不依賴主軸轉(zhuǎn)速的提高、磁頭尋道速度的提高以及存儲密度的提高的前提下，使用多磁頭進行并行讀寫的新式硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸度將與并行讀寫磁頭的數(shù)量成正比，因此內(nèi)部傳輸速度可成倍提高。假設(shè)單個磁頭的硬盤的內(nèi)部傳輸速度為40MB/s，只要在每個存儲面上安裝4個磁頭，內(nèi)部傳輸速度就可達到160MB/s，解決了目前的內(nèi)部傳輸速度的瓶頸問題。同時它與現(xiàn)有的磁盤陣列技術(shù)相比，不需要磁盤陣列中的各磁盤的同步讀寫和檢測過程，因而整體性能比磁盤陣列技術(shù)高得多，而成本卻低很多。
在一片盤片上安裝多個讀寫磁頭的方法可以有兩種，一種是在每片盤片的每個存儲面上增加多個獨立運行的磁頭，另一種是在一個磁頭臂上安裝多個讀寫磁頭。相對來說在每個存儲面上增加多個獨立運行的磁頭，實現(xiàn)起來要復雜一些，它需要多個磁頭驅(qū)動電機和多套磁頭驅(qū)動系統(tǒng)，由于受到硬盤腔體空間的限制，使用這種方式時，獨立運行的磁頭數(shù)量不宜過多，除此之外這種方法還需要將要讀寫的信息進行拆分，以便將要讀寫的信息交給各個獨立的磁頭去并行讀寫，這將增加電路的復雜度。在一個磁頭臂上并行安裝多個磁頭，它可原原本本地使用現(xiàn)有一套硬盤的所有驅(qū)動電路，只需增加串行器，先進先出緩沖器的數(shù)量，以便將并行數(shù)據(jù)進行分拆成多個串行列，以便將原來需串行送往磁頭進行讀寫的信息以一定的方式并行送入并行工作的各磁頭就可完成信息的讀寫操作，而不需要像獨立的多磁頭系統(tǒng)那樣進行信息的控制的拆分，因此這種方案只要在現(xiàn)有的硬盤的設(shè)計上作稍許改進即可成倍提高硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度，是一種比較理想的方案。
本發(fā)明硬盤多磁頭并行讀寫方法是讓多個盤面上的磁頭同時進行讀寫，或者一個盤面上安裝多個磁頭并且讓這些磁頭同時進行讀寫，使用多磁頭并行讀寫后，在同一時刻讀寫多個磁單元的內(nèi)容，成倍提高內(nèi)部傳輸速度。


圖1目前使用的硬盤上一個磁頭臂上安裝一個磁頭結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明在一個磁頭臂上安裝4個磁頭的結(jié)構(gòu)示意中1-磁頭臂 2-磁頭 2A、2B、2C、2D-磁頭。
具體實施例方式
在一個磁頭臂上安裝多個磁頭進行并行讀寫可成倍提高硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度，并且容易實現(xiàn)。本發(fā)明在盤片的驅(qū)動上可以沿用現(xiàn)有技術(shù)和現(xiàn)有設(shè)計，不需要作任何改進。
在磁頭的尋道上也可基本沿用現(xiàn)有技術(shù)，只是在設(shè)計上要稍許改動，其主要改動的地方是磁頭尋道時的移動量上。假設(shè)一個磁頭臂安裝N個并行磁頭，磁頭與磁頭之間的間隔距離為磁道間隔距離的M倍，磁頭在尋道時，從0道開始，每移動M個磁道后的下一次尋道，磁頭需要移動(N-1)*M+1個磁道。參與并行讀寫的磁頭間的距離必須為磁道間隔距離的整倍數(shù)，它能夠依賴現(xiàn)有的精密機械加工和封裝技術(shù)輕易地實施這一要求。需要說明的是，為了精確控制各磁頭之間的距離，這N個磁頭是整體封裝后形成一個整體再安裝到磁頭臂上，而不是將單個的磁頭分別安裝在磁頭臂上，這在現(xiàn)有的磁頭生產(chǎn)工藝上可能需要進行一定的改進。
在數(shù)據(jù)的傳送上，只需將原來需串行送入磁頭進行讀寫的若干位數(shù)據(jù)，按順序分組送往并行讀寫的各磁頭就行了，這實施起來很容易，只需對軟件作稍許改進即可。需說明的是在單磁頭系統(tǒng)下，一個字節(jié)對應(yīng)的8個二進制位是按順序放在同一磁道上，采用多磁頭系統(tǒng)后，這8個二進制位是分布在不同的磁道上的，不過這與使用無關(guān)。
對磁頭的飛行控制分析，需要進行相應(yīng)的改進，當一個磁頭臂上安裝磁頭封裝在一起的多個磁頭后，其磁頭體的尺寸與單個磁頭相比肯定會有明顯改變，質(zhì)量與單個磁頭相比肯定也會有不同，在同樣的氣流作用下，其空氣浮力會有所改變，可能需要對磁頭的飛行參數(shù)進行重新測試，并對磁頭的封閉尺寸和預載力進行重新調(diào)整，但這個測試與調(diào)整過程與使用一種新磁頭時完全相同，不存在技術(shù)問題。
對防止相互干擾分析，當多個磁頭進行并行寫操作時，如果各磁頭相隔的距離很近的話，可能會相互產(chǎn)生一定的干擾。在本發(fā)明中，磁頭與磁頭之間的間隔距離為磁道間隔距離的M倍，只要M＞1，利用現(xiàn)有的磁頭就不會存在相互干擾問題。
由于本發(fā)明技術(shù)方案與現(xiàn)有的硬盤相比，在生產(chǎn)成本上只增加了幾個磁頭的成本，對硬盤的整體成本基本沒有影響，同時也不影響硬盤的外形尺寸，硬盤在安裝時與現(xiàn)有的硬盤沒有任何區(qū)別，因此它是一種理想的提高硬盤內(nèi)部傳輸速度、解決目前硬盤傳輸瓶頸的方案。
本實施例在一個磁頭臂上安裝4個磁頭且每個磁頭之間的間隔為2個磁道寬度時，每個盤面上各磁頭負責讀寫的物理磁道如表1所示。假設(shè)要讀(或?qū)?字符為“XYZ”，它們的十進制序列為01011000 01011001 01011010(假設(shè)一個字符用8位二進制表示)，如果用單磁頭讀寫，需對這24個二進位按順序一個一個按順序來進行讀出(或?qū)懭?而用4磁頭進行并行讀寫時，可將這些數(shù)據(jù)分為如下6組0101，1000，0101，1001，0101，1010，每組4個二進位，每組數(shù)據(jù)可通過A、B、C、D四個磁頭同時進行讀出(或?qū)懭?，如第1組的數(shù)據(jù)0101四個二進位中，磁頭A讀(或?qū)?0，磁頭B讀(或?qū)?1，磁頭C讀(或?qū)?0，磁頭D讀(或?qū)?1。由于是A、B、C、D四個磁頭是并行讀寫，每組數(shù)據(jù)的讀出(或?qū)懭?時間與用單磁頭時讀(或?qū)?一個二進位的時間相同，因此讀(或?qū)?的速度可成倍提高。
衍生方案在現(xiàn)在目前廣泛使用的硬盤的基礎(chǔ)上，修改電路及磁頭映射方案，使不同的磁頭同時讀寫，該衍生方案的傳輸速度也可大幅提高內(nèi)部傳輸速度，速度的提高與腔體內(nèi)磁盤的盤面數(shù)(磁頭的數(shù)量)成正比。本發(fā)明該衍生方案是將硬盤上的多個磁頭看作1個能同時讀寫多個二進制的磁頭，在進行讀寫時，每個盤面上的磁頭同時進行讀寫，這樣內(nèi)部傳輸速度就可成倍提高。例如某硬盤內(nèi)有4個數(shù)據(jù)讀寫面，每個面上有一個讀寫磁頭，該方案將這4個磁頭看作一個可同時讀寫4位數(shù)據(jù)的磁頭，假設(shè)要讀寫的二進制序列為01011000 0101100101011010，在本方案中第一次讀寫的是0101(即在同一時刻將0送至0磁頭，1送至1磁頭，0送至2磁頭，1送至3磁頭)，第二次為1000，第三次為0101，第四次為1001，第五次為0101，第六次為1010，若單個磁頭完成一個二進位的讀寫時間為T，用現(xiàn)有技術(shù)的硬盤完成該二進制序列的讀寫時間為24T，但若采用本方案只需6T。本技術(shù)方案不改變硬盤的物理結(jié)構(gòu)，只需在硬盤的電路上增加串行器/解串器、先進先出(FIFO)緩沖器的數(shù)量，串行器/解串器負責數(shù)據(jù)的分開或合并任務(wù)，先進先出(FIFO)緩沖器用于將處理后的數(shù)據(jù)排隊，以便向硬盤或主機傳輸。
衍生方案舉例假設(shè)硬盤內(nèi)有2片盤片，分為4個數(shù)據(jù)面，每個面有一個用于讀寫的磁頭，即共有4個磁頭，其編號分別為0磁頭、1磁頭、2磁頭、3磁頭。如果要讀(或?qū)?字符為“XYZ”，它們的十進制序列為01011000 0101100101011010(假設(shè)一個字符用8位二進制表示)，現(xiàn)在使用的硬盤在讀寫這些序列時，并不是由這4個磁頭同時來完成這一工作的，而是用這4個磁頭中的某一個來完成讀寫的，只有當數(shù)據(jù)長度超過一個簇(一個簇的大小一般在4KB至64KB之間，它與硬盤分區(qū)的容量及FAT格式有關(guān))時才將數(shù)據(jù)分配給多個磁頭來完成，當一個磁頭完成一個簇的讀寫后，再由同一磁頭或其它磁頭進行下一個簇的讀寫，即各磁頭是串行工作的，也即在同一時刻只有一個磁頭在進行讀寫。本發(fā)明的衍生方案是對要進行讀寫的數(shù)據(jù)按要進行讀寫的二進位序列的順序，按磁頭數(shù)量進行分組(在本例中為4位一組)，每組的第0位用0磁頭讀寫，第1位用1磁頭讀寫，第2位用2磁頭讀寫，第3位用3磁頭讀寫，每組數(shù)據(jù)用這4磁頭進行并行讀寫，在本例中的分組為0101，1000，0101，1001，0101，1010。由于此時是0號、1號、2號、3號四個磁頭是并行讀寫，因此讀(或?qū)?的速度比傳統(tǒng)方案可成倍提高。
表1

權(quán)利要求
1.一種多磁頭并行讀寫硬盤，包括磁頭臂(1)、磁頭(2)、存儲盤片，其特征在于在每片存儲盤片上的每個存儲面上安裝多個讀寫磁頭(2A、2B、2C、2D)，并讓這些讀寫磁頭并行工作連接到讀寫電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多磁頭并行讀寫硬盤，其特征在于是在一個磁頭臂(1)上安裝多個讀寫磁頭(2)，并接到一套硬盤的所有驅(qū)動電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多磁頭并行讀寫硬盤，其特征在于為了精確控制各磁頭(2)之間的距離，這多個磁頭(2A、2B、2C、2D)是整體封裝后形成一個整體再安裝到磁頭臂(1)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多磁頭并行讀寫硬盤，其特征在于是在每片盤片的每個存儲面上增加多個獨立運行的磁頭(2)，多個磁頭驅(qū)動電機和多套磁頭驅(qū)動系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多磁頭并行讀寫硬盤，其特征在于磁頭與磁頭之間的間隔距離為磁道間隔距離的整數(shù)倍。
6.一種多磁頭并行讀寫硬盤，其特征在于在硬盤的基礎(chǔ)上，修改電路及磁頭映射方案，使不同的磁頭同時讀寫，可大幅提高內(nèi)部傳輸速度，速度的提高與腔體內(nèi)磁盤的盤面數(shù)和磁頭的數(shù)量成正比，將硬盤上的多個磁頭看作1個能同時讀寫多個二進制的磁頭，在進行讀寫時，每個盤面上的磁頭同時進行讀寫，這樣內(nèi)部傳輸速度就可成倍提高。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多磁頭并行讀寫硬盤，其特征在于在硬盤的電路上增加串行器/解串器、先進先出(FIFO)緩沖器的數(shù)量，串行器/解串器負責數(shù)據(jù)的分開或合并任務(wù)，先進先出(FIFO)緩沖器用于將處理后的數(shù)據(jù)排隊，以便向硬盤或主機傳輸。
8.一種硬盤多磁頭并行讀寫方法，其特征在于是讓多個盤面上的磁頭同時進行讀寫，或者一個盤面上安裝多個磁頭并且讓這些磁頭同時進行讀寫，使用多磁頭并行讀寫后，在同一時刻讀寫多個磁單元的內(nèi)容，成倍提高內(nèi)部傳輸速度。
全文摘要
本發(fā)明屬于計算機存儲設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多磁頭并行讀寫硬盤及硬盤多磁頭并行讀寫方法。該多磁頭并行讀寫硬盤包括磁頭臂、磁頭、存儲盤片，在每片存儲盤片上的每個存儲面上安裝多個讀寫磁頭，并讓這些讀寫磁頭并行工作連接到讀寫電路。由于它是由多個磁頭同時對同一片磁盤進行并行讀寫，在不依賴主軸轉(zhuǎn)速的提高、磁頭尋道速度的提高以及存儲密度的提高的前提下，使用多磁頭進行并行讀寫的新式硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸度將與并行讀寫磁頭的數(shù)量成正比，因此內(nèi)部傳輸速度可成倍提高。硬盤多磁頭并行讀寫方法，是讓多個盤面上的磁頭同時進行讀寫，或者一個盤面上安裝多個磁頭并且讓這些磁頭同時進行讀寫，使用多磁頭并行讀寫后，在同一時刻讀寫多個磁單元的內(nèi)容，成倍提高內(nèi)部傳輸速度。
文檔編號G11B5/02GK1527285SQ03118149
公開日2004年9月8日 申請日期2003年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月7日
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