恢复数据存储介质上加载/卸载区未启用区的方法和装置

摘要

本发明公开了用于恢复数据存储装置中数据存储介质上的加载/卸载区未启用区，以增加其数据存储容量的方法和装置。硬盘驱动器利用了恢复位于加载/卸载区中过去未使用的读/写空间或未启用区的硬盘。通过形成第一读/写磁道或最外面的磁道，它们从紧邻加载/卸载区的内径边缘开始，从那里到现有技术中第一磁道的常规位置径向向里进行，大约一半的加载/卸载区得以恢复，并可用于读写操作。在本发明的另一实施例中，通过将第一磁道对准加载/卸载区的中心，并如上所述从那里向里进行，几乎整个加载/卸载区都得以恢复并可用于读写操作。这两种情况都使磁盘表面有更多的区域可用，这些区域在现有技术中是没有存储数据的，从而增加硬盘驱动器的效率和存储容量。

说明书

技术领域

本发明通常涉及改进对硬盘驱动器中磁盘存储空间的利用，尤其涉及用于恢复硬盘驱动器的磁盘上以前未利用的加载/卸载区未启用区的改进方法和装置。

背景技术

通常，一种数据存取和存储系统包括一个或多个存储装置，该装置将数据储存到磁或光存储介质上。例如，众所周知，磁存储装置是一种直接存取存储装置(DASD)或硬盘驱动器(HDD)，它包含一个或多个磁盘和一个磁盘控制器，以管理与这些磁盘有关的本地操作。硬盘本身通常由铝合金或玻璃、陶瓷的混合物制成，并在表面上镀有一层磁涂层。典型地，一至六个磁盘垂直堆放于一个同心轴上，通过磁盘驱动器电动机以每分钟数千转(rpm)的速度旋转。

典型的HDD还利用传动装置组件。传动装置将磁读/写头移到旋转盘上期望的位置，向该位置写信息或从此处读数据。在大多数HDD中，磁读/写头安置于一个滑块上。滑块通常用来从机械上支持磁读/写头以及它与磁盘驱动系统其余部分之间的任何电气上的连接。为了与旋转磁盘的表面保持一致的距离，滑块由气动成形，以在移动的空气上滑动，从而防止头与磁盘有不希望的接触。

典型地，滑块以一种气动突出的形式成形于空气支承表面(ABS)，使得滑块在磁盘驱动器操作过程中能够在接近磁盘的恒定高度飞行。滑块与各盘面的每一边相连，并只在盘表面飞行。各滑块安装于一个悬架上形成一个头万向节组件(HGA)。然后，把HGA连接到支持整个头飞行部件的半固定传动臂上。几个半固定传动臂可以相互结合形成一个具有线性支承系统或旋转枢轴支承系统的单独移动部件。

头臂组件利用称作声音线圈电动机(VCM)的磁/线圈结构成直线或回转移动。VCM的定片安装在基座或铸件上，心轴也安装在上面。然后把带有心轴、传动装置VCM及内部过滤系统的底部铸件附以盖子和封条组件，以确保没有杂质能够进入反过来影响滑块在磁盘上飞行的可靠性。当电流通入电动机时，VCM形成与应用电流基本相称的力量或扭矩。因而臂加速度与电流大小基本相称。当读/写头接近想要的磁道时，给传动装置一个反极性信号，使信号产生制动反应，理论上使读/写头停止，直接落在想要的磁道上。

在硬盘驱动器中，加载/卸载(L/UL)设计用于在任何数据读写操作之前“加载”滑块从斜面落到旋转的磁盘上，并在读写操作完成后将滑块从磁盘背面“卸载”到斜面上。如图1所示，磁盘表面的接触区一般位于邻近磁盘13的外径边缘11的位置，称作“加载/卸载区”15。由于滑块17与磁盘的接触可能损坏磁盘，加载/卸载区15不用于存储数据或进行读写操作。加载/卸载区15向内延伸规定的半径距离Z到达内径位置19。第一个(最外边)读/写磁道21位于内径位置19向里的位置。另外的读/写磁道25位于第一磁道21向里的位置。加载/卸载设计减少了飞行高度(如滑块飞到旋转磁盘表面上的高度)持续降低时头与磁盘的摩擦问题以及震动引起的介质损坏问题。这些设计还具有减少能量消耗的优点。

但是，如前面所说，由于磁盘速度高、加载/卸载速度高，加载和/或卸载过程中滑块与磁盘的接触，使得L/UL设计有着介质损坏的潜在风险。研究表明，这种损坏尤其与块状滑块尖锐的拐角和/或边缘插入磁盘表面产生碰撞有关。所导致对磁盘L/UL区的损坏使得该区域不适于数据存储，因而使驱动器的总存储容量减少了5-15％。因此，就需要一种改进的方法和系统来克服这些问题，以更好地利用L/UL区。

发明内容

根据本发明构造的硬盘驱动器装置和方法的一种实施方式，利用了恢复位于加载/卸载区从前未使用的读/写空间或未启用区的硬盘。通过形成第一(最外径)读/写磁道，它们从紧邻加载/卸载区的内径边缘开始，从那里到现有技术中第一磁道的常规位置径向向里进行，大约一半的加载/卸载区得以恢复，并可用于读写操作。在本发明的另一种实施方式中，通过将第一磁道对准加载/卸载(L/UL)区的中心，并如上所述从那里径向向里进行，几乎整个加载/卸载区都得以恢复并可用于读写操作。这两种实施方式都使磁盘表面有更多的区域可用，这些区域在现有技术中是没有存储数据的，从而增加硬盘驱动器的效率和存储容量，从而增加了硬盘驱动器的效率和存储容量。

通过设计空气支承、悬架、斜面以及磁盘驱动器参数(如磁盘和L/UL速度)，使得头与磁盘的接触消除或减少，来减少L/UL中的磁盘损坏问题。换句话说，滑块本身可以这样的方法来处理，使得发生的任何接触都不会造成对磁盘的损坏或只对磁盘有可以接受的少量损坏。圆角化也称为“倒圆化”滑块的拐角和/或边缘，使得接触过程中没有尖锐点(高压集中的区域)到达磁盘表面，这是经证明可以减少L/UL对磁盘损坏的方法。滑块拐角和/或边缘圆角化可以有另外的好处，减少与除L/UL外的机械装置有关的磁盘损坏，例如当读写操作中出现操作震动、磁盘故障或微粒时。通过减少滑块与磁盘碰撞的强度，拐角和边缘圆角化还能减少驱动器中微粒的产生，从而提高驱动器的可靠性。而由圆角化、平滑或斜切粗糙、锯切的滑块边缘，并去除会在接触中进入驱动器的任何极少的附加微粒，还会产生其他的好处。

考虑到下面对本发明优选实施例的详述，以及附加的权利要求和附图，本发明前面所述的及其他的目标和优点对于本领域普通技术人员来说是很明显的。

附图简要说明

所以，能获得本发明的特性和优点以及变得明显的其他方面并更详细地得以理解，参照形成该说明书一部分的附图中所描述的实施例，以上对本发明的简述还可以得到更详细的说明。但要注意，图示只说明本发明的一种实施方式，因而不能只限于该范围考虑，本发明也容许其他等效的实施方式：

图1是用于现有技术磁盘驱动器中的常规磁盘一部分的示意设计图。

图2是根据本发明构造的硬盘驱动器的一种实施例的示意设计图。

图3是图2硬盘驱动器的第一种实施例一部分的放大示意设计图，它是根据本发明构造的。

图4是图2硬盘驱动器的第二种实施例一部分的放大示意设计图，它是根据本发明构造的。

图5是用于图2硬盘驱动器中的滑块和磁盘的侧视示意图。

图6是用于图2硬盘驱动器中的滑块和磁盘的端视示意图。

图7是图2硬盘驱动器使用的另一种结构一部分的示意设计图，它是根据本发明构造的。

具体实施方式

参照图2，图中显示了计算机系统中信息存储系统一个实施例的示意图，该信息存储系统包含一个磁硬盘文件或驱动器111。驱动器111有一个外壳或基座113，装有多个叠放、并列的磁盘115(图中显示了一个)，这些磁盘分开放置而相距很近。磁盘115由具有中央驱动器中心117的心轴电动机组件使之旋转。传动装置121包括多个并行的梳状形式传动臂125(图中显示了一个)，以围绕枢轴组件123旋转的方式安装在基座113上。控制器119也安装在基座113上，用于有选择地相对于磁盘115来移动传动臂125的梳齿。

在所示的实施例中，各个臂125从其位置延伸至少一个向外伸展的加载束或悬架127。磁读/写传感器或头安装在滑块129上(图为示意)，保证一定的弯曲，可以灵活地安装在各个悬架127上。读/写头通过磁性从磁盘115的数据存储区读取数据或向它写数据。称作头万向节组件的合成层是头和滑块129，它们安装在悬架127上。滑块129通常连接在悬架127的尾端。头一般是微微级大小(大约1250×1000×300微米)，由陶瓷或金属化合物形成。头也可以是毫微微级大小(大约850×700×230微米)，由悬架127相对磁盘115表面预加载(范围是2-10克)。

悬架127有弹簧一样的品质，它向磁盘反面的滑块空气支承面加偏压或压力，使得在滑块和磁盘表面之间生成空气支承膜。装在常规声音线圈电动机磁组件134(图中未显示顶点)内的声音线圈133也可以安装在与头万向节组件相对的臂125上。控制器119引起的传动装置121(图中用箭头135表示)的移动，使头万向节组件径向穿过磁盘115上数据存储磁道，直到磁头落到目的磁道上。如果驱动器111不是使用多个独立的传动装置(图中未显示)，其中传动臂可以彼此独立移动，头万向节组件还以传统方式操作，总是彼此一致移动。

驱动器111使用了一个加载/卸载(L/UL)设计，在任何数据读写操作之前加载滑块从斜面(图中未显示)落到旋转的磁盘115上，并在读写操作完成后将滑块从磁盘背面“卸载”到斜面上。如图3所示意的，磁盘115表面上的接触区一般位于邻近磁盘115外径边缘311的位置，称为“加载/卸载区”315。加载/卸载区315向内延伸规定的半径距离Z到达内径位置319。但是，加载/卸载区315也可以定位于邻近中心117(图2)的内径位置(图中未显示)，而不是磁盘115的外径周长或边界。由于现有技术中滑块与常规磁盘的接触会损坏磁盘，过去加载/卸载区不用于存储数据或用于读写操作。然而，随着本发明中方法和装置的应用，加载/卸载区315可用于这些操作。

在本发明的一个实施例中(图3)，第一读/写磁道321位于加载/卸载区315上加载/卸载区315和数据存储区剩余部分316的接口处，或是接口略微向里一点的位置。接口定义为磁盘115的区域，位于加载/卸载区315和数据存储区剩余部分316的交叉点。这样，相对于第一读/写磁道321，滑块129“骑”在接口上，使得滑块129的内径部分位于剩余部分316，滑块129的外径部分位于加载/卸载区315，如图所示，从磁道321读数据或向它写数据。其他的读/写磁道位于第一读/写磁道321向里的位置。

在本发明的另一个实施例中(图4)，第一读/写磁道421位于加载/卸载区415中邻近加载/卸载区415的边界418的位置，与数据存储区剩余部分416径向上空开一定距离。在所示的版本中，它大约在加载/卸载区415的半径中央，或是半径中央略微向里一点的位置。半径中央定义为磁盘115的部分，位于加载/卸载区415的内径边界420和外径边界418之间一半的位置。这样，相对于磁道421，滑块129整个或几乎整个位于加载/卸载区415，如图所示，从磁道421读数据或向它写数据。其他的读/写磁道位于第一读/写磁道421向里的位置，其中有些也位于加载/卸载区415。

在恢复至少部分加载/卸载区用于数据读/写操作当中，许多分量级和文件级控制参数用来促进本发明的完成。例如，在分量级，滑块可以相对于磁盘定向，以获得一个正的倾斜静止姿态(PSA)。如图5所示意的，当滑块不处于“飞行”姿态时，正的倾斜静止姿态(PSA)由比滑块129的前缘503更靠近数据存储介质115的滑块129后缘501定义。在这个构造中，后缘501倾斜一个角度N，在前缘503之前接近数据存储介质115，从而减少前缘503与数据存储介质115之间接触的可能性。将滑块129定向在正的PSA，减少了允许在加载/卸载区进行数据操作时损坏数据存储介质115的风险。

另一个提高加载/卸载区中读写数据成功率的分量级参数，是在滑块129上邻近或位于后缘501的位置提供至少一个着落垫505(图5)。有了这个位置上的着落垫505，它减少滑块129与数据存储介质115间直接接触的可能性。如果确实发生接触，着落垫505往往是使得接触数据存储介质115而不是滑块129本身，从而减少对数据存储介质115损坏的可能性。该参数详细的实施情况公开在给Samuelson的美国专利No.5,796,551中，在此作为参考。

本发明的一个文件级变量包括控制滑块129的加载速率。加载速率由滑块129向数据存储介质115移动的速度决定。在执行中，加载速率从现有技术典型的加载速率减少到大约每秒15毫米，以减少由于滑块129和数据存储介质115的碰撞引起的对数据存储介质115的损坏以及记录在数据存储介质115上数据的热消除。关于热消除在此作为参考，在M.Suk等人所著、发表于2000年1月ASME学报第122卷的MagneticErasures Due to Impact Induced Interfacial Heating and Magnetostriction一文中另作详细讨论。

另一个减少在加载/卸载区内执行数据操作时对数据存储介质115造成损坏的风险的文件级参数是制造burn-in循环。有了该参数，在进行任何数据存储区中任何伺服系统写操作之前制造数据存储装置111的过程中，用数据存储介质115上的滑块129来执行加载/卸载循环。这些循环去除数据存储区中或滑块129上出现的异态，这样，如果在这个制造阶段出现对数据存储区的损坏，则可以测出数据存储区被损坏的部分，而不在该损坏部分写数据。

本发明还使用了许多可选的参数，这些参数可以极大地影响加载/卸载区中读/写操作的执行情况。例如，在分量级，可以相对于数据存储介质115来定向滑块129，使得滑块129有偏卷静止姿态。如图6所示，偏卷静止姿态由滑块129上靠近数据存储介质115的外径边缘601定义，而不是由其内径边缘603定义。这种情况下，如果接触确实发生，外径边缘601在内径边缘603之前倾斜一个角度2来接触数据存储介质115，从而减少内径边缘603与数据存储介质115之间的接触。这就使得所有可能的损坏都发生在对准滑块129外径边缘601的加载/卸载区的外围。这样，由于数据存储介质115的机械损害引起数据损坏的可能性或是从加载/卸载区外边缘向里的区域内热消除的可能性就大大减少了。

另外，滑块729(虚线)可以用一个非零斜角α(图7)来定向。斜角α定义为滑块729的中心线736和滑块129的中心线734之间的角度，中心线734与数据存储介质115的半径垂直。图7中，滑块729的引导外径拐角730径向对准加载/卸载区715的外边缘718。将滑块729偏置，由于滑块729相对于介质115的径面增加，从而增加了加载/卸载区的大小。这样，通过设计一种加载/卸载区几乎零偏置的系统，如图7中的滑块129，可使加载/卸载区的大小减少而数据存储区有效增加。

控制文件级几个其他可选但非常重要的参数包括：当对数据存储介质115加载和卸载滑块129时，从典型用于现有技术中的旋转速度减小数据存储介质115的速度。和前面的参数一样，这种方法减少了对数据存储介质115的损坏以及记录在数据存储区中数据的热消除。另一个变量是当向加载/卸载区写数据时对数据进行写校验，以确认写入加载/卸载区的数据是正确写入的。如果数据写入不正确，在同一区域继续出现记录失败，则可以测出该相同区域使得将来不再向该区域写数据。

还有另一个参数是在加载/卸载区中提供纠错码(ECC)字节，它们比本领域普通技术人员在数据存储区域的剩余部分中提供的常规ECC字节要长。加载/卸载区一般没有ECC字节，因为通常数据不写在那里。然而，有了本发明，ECC字节用于加载/卸载区中并且比一般的要长，使得即使有任何数据丢失，都可以把多数丢失的数据恢复回来。这提高了对记录在加载/卸载区后丢失数据的恢复能力。而且，如果用ECC字节恢复数据，系统可以设计为测出同一区域，使得数据移到其他位置，并且数据将来不再记录在该区域内。

本发明还包括很多更难以实现的可选参数，但在从加载/卸载区读取数据或向之写数据时，这些参数对数据存储装置的性能有显著的效果。这些参数包括滑块129拐角的圆角化(见图5和图6)。圆角化位于前缘503和后缘501交叉位置以及内径边603和外径边缘601交叉位置的滑块拐角，减少了滑块129与数据存储介质115之间的接触应力。有关该参数的详细情况公开在给Dorius等的美国专利No.6,069,769和No.5,872,686，在此作为参考。

另一个参数包括给数据存储区域提供一个导热底基层605(图6)、硅衬底层、或具有类似导热性的层，以减少滑块129与数据存储介质115发生接触时数据存储区域中所记录数据的热消除。导热磁盘层减少了可能的热消除。相反，传统的玻璃层只有低导热率，导致滑块与磁盘接触时局部变热。均具有导热性的衬底层或厚底基层605将热量从接触点迅速传开，这样接触点的温度就不会升得很高以至于热量引起数据消除。见上面所述的“ASME学报”中的论文。类似地，为了减少损坏和热消除的可能性，滑块可以用更软的材料、导热性更好的材料如硅、以及会导致一般平滑完成的材料制成。还有其他的参数，包括规定数据存储区域的加载/卸载区为头最后写入的区域，或是重新测定逻辑块地址(LBA)，进一步减少加载/卸载区的错误。

最后，可以在数据存储区域中实现奇偶校验扇区，来提高加载/卸载区中记录后丢失的任何数据的恢复。见Ikeda的美国专利No.5,745,453，在此作为参考。在加载和卸载数据时，引入了一个独立于数据读写的错误装置。这就意味着最后存取扇区与可能引起的错误之间没有相关性。这种情况下，依靠磁道自身的奇偶检验并不可靠。利用磁道奇偶检验(或任一种纠错类型)，系统最大容量可纠正m个错误。那就意味着必须在磁道上超过m个错误之前检测到错误。由于有多个独立的错误事件(不同的L/UL差错)，磁道上可能有大于m的错误，而数据将不能恢复。由于两次数据读取之间可能相隔数年，在L/UL与受影响区域中读取数据之间没有纠错，上述情况就可能发生。这样就不足以正好在该磁道上进行奇偶检验。

举个例子，可以设立一个奇偶检验系统，其中每4个数据扇区1个奇偶检验扇区(有无交叉均可)。如果假设的“事件”仅碰击了该奇偶检验组中的一个扇区(由于交叉点或故障大小较小)，则另一个这样的事件再次碰击该磁道(能够知道正好是该磁道)的可能性是很有限的。碰击也可能是在这个奇偶检验组中。交叉间置不会改变上述情况，因为不管怎样安排，5个扇区具有恒定的磁道百分比。

解决这个问题的方法就是创建一个包括未受损坏数据的奇偶检验组。每个奇偶检验组限于L/UL区中的一个扇区，这样L/UL区中多少错误都可以得到纠正(其他的错误装置除外)。这更多的是一个“辐射”奇偶检验排列，奇偶检验组包括至少2个磁道。在错误装置与存取装置不相连接的情况下，需要进行数据净化。数据净化包括对奇偶检验组进行读取和测试以确保有效性(RAID、存储器系统等中的标准解决方案)。其原理就是在错误事件和存取之间强制进行纠正。这种情况下，就必须在磁道上的错误数可能要超过m之前检查奇偶检验组。数据净化中发现的任何错误都要从奇偶检验得到纠正。数据净化的最后阶段就是执行碰击：多循环写入时仍然有问题，要增加净化时间。数据净化的技巧在于何时以及多长时间进行一次。RAID系统中，在空闲时间的背景下来进行。RAID系统中净化数据的目的是保证故障的容忍量。如果奇偶检验组有一个错误，仍可以恢复。但是如果一个驱动器出错，则数据不能恢复。因此，没有数据净化，错误序列不在容忍范围内。

本情况中，净化的频率和时间选择取决于应用和错误生成的详细情形。然而，在非常规应用中可能没有任何的“空闲”时间。例如，当用数码相机拍照时，驱动器旋转，写入数据，然后电源关闭。这样就没有机会来进行背景净化。唯一确保净化进行的办法就是在从相机获取数据之前或是置入“写完成”之前强制进行净化。任一种方法，要完成净化都需要延迟时间。在音乐设备(如MP3)中，情况是相似的。如果驱动器不是在进行电源管理和缓冲，主机将旋转、读取其所需要的数据然后关闭驱动器。

由于净化造成得性能损失取决于每次事件需要多少净化。如果任何事件都可能会引起错误，则每次加载后都需进行一次净化。需净化的磁道数取决于着落位置的确定情况。也许整个区域都需净化。“最好情况”(没有发现错误)下，净化需时为[周期*磁道数*头数]。磁道数是驱动器的重要部分(＞1％)，否则不值得把数据放在该区域内。例如，如果有100个磁道*2个头，速度为3600rpm，则需要3.2秒钟来进行净化。尽管这种方法解决了净化频率很高时数据完整性的问题，但其成本是很高的。

本发明有几个优点。根据本发明构造的硬盘驱动器装置和方法，利用了恢复位于加载/卸载区中以前未使用的读/写空间或未启用区的硬盘。通过形成第一读/写磁道，它从紧邻加载/卸载区的内径边缘开始，从那里到现有技术中第一磁道的常规位置径向向里进行，大约一半的加载/卸载区得以恢复，并可用于读写操作。换句话说，通过把第一磁道对准加载/卸载区(L/UL)的中心，如上所述从那里向内进行，几乎整个加载/卸载区都得以恢复并可用于读写操作。这些实施方式使磁盘表面有更多的区域可用，这些区域在现有技术中是不能存储数据的，从而增加硬盘驱动器的效率和存储容量。

加载和卸载操作过程中磁盘损坏的问题，通过设计空气支承、悬架、斜面和磁盘驱动器参数得以解决，使得头与磁盘的接触消除或减少了。换句话说，滑块自身可以用这样的方法来处理，使得发生的任何接触都不会造成对磁盘的损坏或是造成可以接受的少量损坏。拐角和/或边缘的圆角化也称为“倒圆化”，使得接触过程中磁盘表面不会出现锐利的边缘，经证明这种方法会减少L/UL对磁盘的损坏。拐角和/或边缘的圆角化可以对减少与机械装置而不是L/UL有关的磁盘损坏有更多的好处，如在存在操作震动、磁盘错误或微粒时进行读写操作。通过减少滑块与磁盘碰撞的强度，拐角和边缘的圆角化又能够减少驱动器中微粒的产生，从而提高驱动器的可靠性。而圆角化、平滑或斜切滑块粗糙、锯切的边缘，以及去除接触时驱动器中产生的任何极少的附加微粒，还会带来其他的好处。

虽然只显示或描述了本发明的若干形式，但对那些本领域普通技术人员来说很明显并不仅限于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以容易地想到各种变化。