专利名称：多磁头并行读写硬盘及硬盘多磁头并行读写方法
技术领域：
本发明属于计算机存储设备技术领域，涉及一种多磁头并行读写硬盘及硬盘多磁头并行读写方法。
背景技术：
在计算机的存储体系中，目前仍然使用的是CACHE-内存—外存的体系结构，在这三层存储结构中，其存储容量成数量级递增，单位信息的存储成本成数量级递减，但存储速度成数量级递减。计算机的整体存储速度符合“木桶效应”最矮的木条决定整个桶的容量，因此计算机的存储速度在很大程度上取决于外存的存储速度。
硬盘是目前的主要外部存储介质，因此计算机系统的运行效率在很大程度上取决于硬盘与内存之间的数据传输速度，在数据服务、图像处理等业务上尤其如此。
今天的计算机在CPU、内存和主板等硬件的性能上已经获得了极大的提高，硬盘也同时得到了很大的发展，比如在减小体积、增大容量方面的发展是相当快的，其中容量的增大体现得最为突出，但其存储速度的提高却相对较慢。在计算机的主要硬件的所有关键指标中，硬盘的数据存储速度已经形成了业界公认的一个严重制约计算机整机性能提高的瓶颈。
影响硬盘存储速度的指标主要有两个外部传输速度和内部传输速度。前者代表缓存与控制芯片组之间的数据交换速度，而后者是磁头与盘片间的读写速度。外部数据传输速度与硬盘接口有直接关系，现在的硬盘接口大致上有以下两类，即IDE/EIDE和SCSI。从IDE/EIDE接口的接口规范来看，已经经历了从UDMA/33、UDMA/66、UDMA/100到UDMA/133几代的发展，其相应的外部传输速度(峰值)分别为33MB/s、66MB/s、100MB/s和133MB/s；而SCSI是一个用于工作站或服务器的一个硬盘标准接口，其传输速度的表现比IDE/EIDE更加出色。SCSI接口一般可分为Ultra、Ultra2、Ultra160和Ultra320四种，其中Ultra的传输速度为40MB/s，Ultra2为80MB/s，而Ultra160则为160MB/s，Ultra320更是高达320MB/s。而且，从长远来看，其继续发展也完全没有问题。内部数据传输速度是由硬盘的机械性能决定的，目前硬盘的内部数据传输速度一般在20MB/s-40MB/s之间，最高的也只有50MB/s左右。
从以上数据不难看出，硬盘存储速度的瓶颈是硬盘的内部传输速度，在内部数据传输速度没有得到提高的情况下，单纯提高外部数据传输速度是没有太大意义的，例如UDMA/66的传输速度由于受内部传输速度的限制，其实际传输速度远远达不到66MB/s，至于UDMA/100和UDMA/133更只是提供一种技术前景。在目前的情况下，要解决的主要问题是提高硬盘的内部数据传输速度，要提高硬盘的内部数据传输速度，就必须提高机械装置的效率。
硬盘内部传输速度主要取决于磁头从盘片上读写数据的速度，影响硬盘的内部数据传输速度的因素有多个，它们分别是盘片主轴转速、磁头的寻道速度、盘片的数据存储密度、磁头的读写速度、磁头的数量以及缓存的容量。要提高硬盘的内部数据传输速度就要从这几个方面着手，但这几个方面在目前的技术条件下，有些是受到一定的制约的，很难有较大的发展，或者即使有发展，但对硬盘的内部传输性能也不会有很大提高。
目前磁头的读写还有两种多磁头系统方式的，一种是一个硬盘内有多片盘片，每片盘片的每个盘面上有一个读写磁头，但这种多磁头系统的每个磁头不是并行工作的，在任何时刻只有一个磁头在进行读写操作，因此它对改善硬盘的传输性能没有任何帮助，这种多磁头系统的作用仅仅是提高了整个硬盘的存储容量。另一种多磁头系统为磁盘阵列，如RIADO或RIADO+1，均可成倍提高硬盘系统的传输性能，这个技术很早就出现了，但需要在机器中需要增加硬盘阵列控制卡等相关的硬件设备，由于价格昂贵，目前主要用在服务器上，并且这种方式并未提高单个硬盘的传输速度，未能发挥目前高速的外部传输速度的优势。
自从1973年IBM发明了Winchester(温彻斯特)硬盘以来至今的近30年时间里，硬盘的核心机械结构部份的基本原理始终没有脱离“温彻斯特”模式。“温彻斯特”模式的精髓是“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片的每个存储面上有一个沿盘片径向移动的磁头”，也就是说每个盘面上只有一个读写磁头，这其实就是目前硬盘内部传输性能不佳的主要原因。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是要针对现有技术的缺陷，提供一种多磁头并行读写硬盘及硬盘多磁头并行读写方法，这时可在不影响其它性能的情况下可成倍提高磁盘的读写速度，进而成倍提高硬盘的内部数据传输速度。
解决本发明技术问题所要采用的技术方案是该多磁头并行读写硬盘包括磁头臂、磁头、存储盘片，在每片存储盘片上的每个存储面上安装多个读写磁头，并让这些读写磁头并行工作连接到读写电路。由于它是由多个磁头同时对同一片磁盘进行并行读写，在不依赖主轴转速的提高、磁头寻道速度的提高以及存储密度的提高的前提下，使用多磁头进行并行读写的新式硬盘的内部数据传输度将与并行读写磁头的数量成正比，因此内部传输速度可成倍提高。假设单个磁头的硬盘的内部传输速度为40MB/s，只要在每个存储面上安装4个磁头，内部传输速度就可达到160MB/s，解决了目前的内部传输速度的瓶颈问题。同时它与现有的磁盘阵列技术相比，不需要磁盘阵列中的各磁盘的同步读写和检测过程，因而整体性能比磁盘阵列技术高得多，而成本却低很多。
在一片盘片上安装多个读写磁头的方法可以有两种，一种是在每片盘片的每个存储面上增加多个独立运行的磁头，另一种是在一个磁头臂上安装多个读写磁头。相对来说在每个存储面上增加多个独立运行的磁头，实现起来要复杂一些，它需要多个磁头驱动电机和多套磁头驱动系统，由于受到硬盘腔体空间的限制，使用这种方式时，独立运行的磁头数量不宜过多，除此之外这种方法还需要将要读写的信息进行拆分，以便将要读写的信息交给各个独立的磁头去并行读写，这将增加电路的复杂度。在一个磁头臂上并行安装多个磁头，它可原原本本地使用现有一套硬盘的所有驱动电路，只需增加串行器，先进先出缓冲器的数量，以便将并行数据进行分拆成多个串行列，以便将原来需串行送往磁头进行读写的信息以一定的方式并行送入并行工作的各磁头就可完成信息的读写操作，而不需要像独立的多磁头系统那样进行信息的控制的拆分，因此这种方案只要在现有的硬盘的设计上作稍许改进即可成倍提高硬盘的内部数据传输速度，是一种比较理想的方案。
本发明硬盘多磁头并行读写方法是让多个盘面上的磁头同时进行读写，或者一个盘面上安装多个磁头并且让这些磁头同时进行读写，使用多磁头并行读写后，在同一时刻读写多个磁单元的内容，成倍提高内部传输速度。
图1目前使用的硬盘上一个磁头臂上安装一个磁头结构示意2为本发明在一个磁头臂上安装4个磁头的结构示意中1-磁头臂 2-磁头 2A、2B、2C、2D-磁头。
具体实施例方式
在一个磁头臂上安装多个磁头进行并行读写可成倍提高硬盘的内部数据传输速度，并且容易实现。本发明在盘片的驱动上可以沿用现有技术和现有设计，不需要作任何改进。
在磁头的寻道上也可基本沿用现有技术，只是在设计上要稍许改动，其主要改动的地方是磁头寻道时的移动量上。假设一个磁头臂安装N个并行磁头，磁头与磁头之间的间隔距离为磁道间隔距离的M倍，磁头在寻道时，从0道开始，每移动M个磁道后的下一次寻道，磁头需要移动(N-1)*M+1个磁道。参与并行读写的磁头间的距离必须为磁道间隔距离的整倍数，它能够依赖现有的精密机械加工和封装技术轻易地实施这一要求。需要说明的是，为了精确控制各磁头之间的距离，这N个磁头是整体封装后形成一个整体再安装到磁头臂上，而不是将单个的磁头分别安装在磁头臂上，这在现有的磁头生产工艺上可能需要进行一定的改进。
在数据的传送上，只需将原来需串行送入磁头进行读写的若干位数据，按顺序分组送往并行读写的各磁头就行了，这实施起来很容易，只需对软件作稍许改进即可。需说明的是在单磁头系统下，一个字节对应的8个二进制位是按顺序放在同一磁道上，采用多磁头系统后，这8个二进制位是分布在不同的磁道上的，不过这与使用无关。
对磁头的飞行控制分析，需要进行相应的改进，当一个磁头臂上安装磁头封装在一起的多个磁头后，其磁头体的尺寸与单个磁头相比肯定会有明显改变，质量与单个磁头相比肯定也会有不同，在同样的气流作用下，其空气浮力会有所改变，可能需要对磁头的飞行参数进行重新测试，并对磁头的封闭尺寸和预载力进行重新调整，但这个测试与调整过程与使用一种新磁头时完全相同，不存在技术问题。
对防止相互干扰分析，当多个磁头进行并行写操作时，如果各磁头相隔的距离很近的话，可能会相互产生一定的干扰。在本发明中，磁头与磁头之间的间隔距离为磁道间隔距离的M倍，只要M＞1，利用现有的磁头就不会存在相互干扰问题。
由于本发明技术方案与现有的硬盘相比，在生产成本上只增加了几个磁头的成本，对硬盘的整体成本基本没有影响，同时也不影响硬盘的外形尺寸，硬盘在安装时与现有的硬盘没有任何区别，因此它是一种理想的提高硬盘内部传输速度、解决目前硬盘传输瓶颈的方案。
本实施例在一个磁头臂上安装4个磁头且每个磁头之间的间隔为2个磁道宽度时，每个盘面上各磁头负责读写的物理磁道如表1所示。假设要读(或写)字符为“XYZ”，它们的十进制序列为01011000 01011001 01011010(假设一个字符用8位二进制表示)，如果用单磁头读写，需对这24个二进位按顺序一个一个按顺序来进行读出(或写入)而用4磁头进行并行读写时，可将这些数据分为如下6组0101，1000，0101，1001，0101，1010，每组4个二进位，每组数据可通过A、B、C、D四个磁头同时进行读出(或写入)，如第1组的数据0101四个二进位中，磁头A读(或写)0，磁头B读(或写)1，磁头C读(或写)0，磁头D读(或写)1。由于是A、B、C、D四个磁头是并行读写，每组数据的读出(或写入)时间与用单磁头时读(或写)一个二进位的时间相同，因此读(或写)的速度可成倍提高。
衍生方案在现在目前广泛使用的硬盘的基础上，修改电路及磁头映射方案，使不同的磁头同时读写，该衍生方案的传输速度也可大幅提高内部传输速度，速度的提高与腔体内磁盘的盘面数(磁头的数量)成正比。本发明该衍生方案是将硬盘上的多个磁头看作1个能同时读写多个二进制的磁头，在进行读写时，每个盘面上的磁头同时进行读写，这样内部传输速度就可成倍提高。例如某硬盘内有4个数据读写面，每个面上有一个读写磁头，该方案将这4个磁头看作一个可同时读写4位数据的磁头，假设要读写的二进制序列为01011000 0101100101011010，在本方案中第一次读写的是0101(即在同一时刻将0送至0磁头，1送至1磁头，0送至2磁头，1送至3磁头)，第二次为1000，第三次为0101，第四次为1001，第五次为0101，第六次为1010，若单个磁头完成一个二进位的读写时间为T，用现有技术的硬盘完成该二进制序列的读写时间为24T，但若采用本方案只需6T。本技术方案不改变硬盘的物理结构，只需在硬盘的电路上增加串行器/解串器、先进先出(FIFO)缓冲器的数量，串行器/解串器负责数据的分开或合并任务，先进先出(FIFO)缓冲器用于将处理后的数据排队，以便向硬盘或主机传输。
衍生方案举例假设硬盘内有2片盘片，分为4个数据面，每个面有一个用于读写的磁头，即共有4个磁头，其编号分别为0磁头、1磁头、2磁头、3磁头。如果要读(或写)字符为“XYZ”，它们的十进制序列为01011000 0101100101011010(假设一个字符用8位二进制表示)，现在使用的硬盘在读写这些序列时，并不是由这4个磁头同时来完成这一工作的，而是用这4个磁头中的某一个来完成读写的，只有当数据长度超过一个簇(一个簇的大小一般在4KB至64KB之间，它与硬盘分区的容量及FAT格式有关)时才将数据分配给多个磁头来完成，当一个磁头完成一个簇的读写后，再由同一磁头或其它磁头进行下一个簇的读写，即各磁头是串行工作的，也即在同一时刻只有一个磁头在进行读写。本发明的衍生方案是对要进行读写的数据按要进行读写的二进位序列的顺序，按磁头数量进行分组(在本例中为4位一组)，每组的第0位用0磁头读写，第1位用1磁头读写，第2位用2磁头读写，第3位用3磁头读写，每组数据用这4磁头进行并行读写，在本例中的分组为0101，1000，0101，1001，0101，1010。由于此时是0号、1号、2号、3号四个磁头是并行读写，因此读(或写)的速度比传统方案可成倍提高。
表1
权利要求
1.一种多磁头并行读写硬盘，包括磁头臂(1)、磁头(2)、存储盘片，其特征在于在每片存储盘片上的每个存储面上安装多个读写磁头(2A、2B、2C、2D)，并让这些读写磁头并行工作连接到读写电路。
2.根据权利要求1所述的多磁头并行读写硬盘，其特征在于是在一个磁头臂(1)上安装多个读写磁头(2)，并接到一套硬盘的所有驱动电路。
3.根据权利要求2所述的多磁头并行读写硬盘，其特征在于为了精确控制各磁头(2)之间的距离，这多个磁头(2A、2B、2C、2D)是整体封装后形成一个整体再安装到磁头臂(1)上。
4.根据权利要求1所述的多磁头并行读写硬盘，其特征在于是在每片盘片的每个存储面上增加多个独立运行的磁头(2)，多个磁头驱动电机和多套磁头驱动系统。
5.根据权利要求1所述的多磁头并行读写硬盘，其特征在于磁头与磁头之间的间隔距离为磁道间隔距离的整数倍。
6.一种多磁头并行读写硬盘，其特征在于在硬盘的基础上，修改电路及磁头映射方案，使不同的磁头同时读写，可大幅提高内部传输速度，速度的提高与腔体内磁盘的盘面数和磁头的数量成正比，将硬盘上的多个磁头看作1个能同时读写多个二进制的磁头，在进行读写时，每个盘面上的磁头同时进行读写，这样内部传输速度就可成倍提高。
7.根据权利要求6所述的多磁头并行读写硬盘，其特征在于在硬盘的电路上增加串行器/解串器、先进先出(FIFO)缓冲器的数量，串行器/解串器负责数据的分开或合并任务，先进先出(FIFO)缓冲器用于将处理后的数据排队，以便向硬盘或主机传输。
8.一种硬盘多磁头并行读写方法，其特征在于是让多个盘面上的磁头同时进行读写，或者一个盘面上安装多个磁头并且让这些磁头同时进行读写，使用多磁头并行读写后，在同一时刻读写多个磁单元的内容，成倍提高内部传输速度。
全文摘要
本发明属于计算机存储设备技术领域，涉及一种多磁头并行读写硬盘及硬盘多磁头并行读写方法。该多磁头并行读写硬盘包括磁头臂、磁头、存储盘片，在每片存储盘片上的每个存储面上安装多个读写磁头，并让这些读写磁头并行工作连接到读写电路。由于它是由多个磁头同时对同一片磁盘进行并行读写，在不依赖主轴转速的提高、磁头寻道速度的提高以及存储密度的提高的前提下，使用多磁头进行并行读写的新式硬盘的内部数据传输度将与并行读写磁头的数量成正比，因此内部传输速度可成倍提高。硬盘多磁头并行读写方法，是让多个盘面上的磁头同时进行读写，或者一个盘面上安装多个磁头并且让这些磁头同时进行读写，使用多磁头并行读写后，在同一时刻读写多个磁单元的内容，成倍提高内部传输速度。
文档编号G11B5/02GK1527285SQ03118149
公开日2004年9月8日 申请日期2003年3月7日 优先权日2003年3月7日
发明者谢建全 申请人:谢建全