具有非易失性存储器和多个盘表面的盘驱动器 【技术领域】
本发明总体涉及磁记录硬盘驱动器(HDD)，更具体地，涉及一种HDD，其具有至少一个能访问一个以上的盘表面的读/写头。
背景技术
磁记录硬盘驱动器(HDD)具有一叠由心轴(spindle)马达旋转的刚性磁记录盘、以及在旋转的盘的表面之上移动读/写头的致动器，每个盘表面由关联的读/写头访问。叠中的盘相对于彼此处于固定位置，且不能沿轴向(即在平行于心轴马达的旋转轴的方向上)移动。每个读/写头形成在空气轴承滑块上，该空气轴承滑块安装在悬架的一端，每个悬架在其另一端安装到致动器的刚性臂。
传统HDD可以具有高性能，即短的读出或写入数据的访问时间，因为所有的读/写头位于其关联的盘表面上且可用于读出或写入数据。然而，每个盘表面有一读/写头的要求增加了HDD的成本。随着对盘存储器的需求增加，需要降低HDD的成本，其中成本按存储器的每千兆字节的美元数($/GB)的方式计算。HDD成本的一个大的影响因素是读/写头、以及它们的相关组件和与HDD电子器件的电缆连接。已经提出了一些低成本HDD，它们具有至少一个能访问一个以上盘表面的读/写头。在这样的HDD中，需要一种机构，其相对于盘叠移动一个或多个头，从而所述头能从一个盘表面移至另一盘表面。随着这种类型HDD中盘数量的增加，在存储容量增加的同时，$/GB显著减小。此关系与磁带库和光盘库的关系类似，因此这种HDD有用作虚拟带库(VTL)的潜在应用。
在这种头必须从一个盘表面移动至另一盘表面的HDD中，存在移动一个头或多个头所需的时间。在此时间期间，盘驱动器不能读取或写入数据，因此每次头移至不同的盘表面时，读和写都必须临时停止。虽然当HDD以传统方式使用时，即随机读取和写入较小的文件时，这不是很大的性能影响，但是当HDD用于数据的连续读取或写入，如在VTL中、或用于需要存储在一个以上的盘表面上的大文件如多媒体文件的读取或写入时，这会造成显著的缺点。
需要一种低成本HDD，其具有至少一个能访问一个以上的盘表面的读/写头，但是当一个头或多个头从一个盘表面移至另一个盘表面时不需要中断数据的读和写。
【发明内容】
本发明涉及一种HDD，其具有至少一个访问超过一个盘表面的读/写头，且无缝地向计算机主机传输数据和从计算机主机传输数据，在头从一个盘表面移动至另一盘表面的时间期间没有间断。非易失性固态存储器与盘表面对(pair)关联。在头从盘表面对中的一个盘表面转移至另一盘表面的时间期间，从关联的非易失性存储器中读取数据或向其写数据。数据首先读取自或写入到一个盘表面，然后读取自或写入到非易失性存储器，然后在完成头转移后，读取自或写入到另一盘表面，从而允许数据的无缝不间断传输。
每个盘表面具有同心数据轨道，所述数据轨道被划分成数据存储在其中的毗邻的物理扇区，每个物理扇区与逻辑块地址(LBA)关联。非易失性存储器可以具有多个分区，每个分区与从一对盘表面中的一个盘表面至该对盘表面中的另一盘表面的切换相关联。从该对盘表面中的一个盘表面，经关联的非易失性存储器分区的存储地址，至该对盘表面中的下一个盘表面，LBA连续编号。在一实施例中，HDD可以具有两个读/写头，第一头访问堆叠中盘的底表面或背表面，第二头访问堆叠中盘地顶表面或正表面，一个盘的背表面和轴向相邻的盘的正表面每组形成一“逻辑”盘。当头移至下一轴向间隙时，于是头访问下一逻辑盘。于是，LBA编号从一个逻辑盘，经一关联的非易失性存储器分区，至下一逻辑盘连续。非易失性存储器可以是具有多个分区的单个模块或芯片，或者可以是多个模块或芯片。非易失性存储器或分区的大小可由已知的数据传输率和已知的完成头的从一个盘表面至另一盘表面的转移的时间来确定。
为了更充分地理解本发明的本质和优点，应当参考以下结合附图的详细说明。
【附图说明】
图1A-1B是本发明硬盘驱动器(HDD)的一实施例的侧视图，示出头-臂组件在轴向可移动盘的堆叠中的两个不同位置；
图2是根据本发明的磁记录HDD的框图，示出成对的盘表面和关联的非易失性存储器分区；
图3是示意图，示出根据本发明的多个盘表面和关联的非易失性存储器分区上的逻辑块地址(LBA)的连续编号。
【具体实施方式】
随着对磁记录硬盘存储器的需求增长，需要降低硬盘驱动器(HDD)的成本，其中，成本以每千兆字节的美元数($/GB)的方式计量。HDD成本的一个大的影响因素是读/写头、以及它们的相关组件和到HDD电子器件的电缆连接。传统HDD中，针对每个盘表面有一个头，所有头安装在唯一的致动器上，该致动器使所有的头在其各自的盘表面上同时移动。已经提出了一些低成本HDD，其具有至少一个能访问一个以上的盘表面的读/写头。在这样的HDD中，需要一种机构，其相对于盘的堆叠移动一个或多个头，从而所述头能从一个盘表面移至另一盘表面。随着这种类型HDD中盘数量的增加，在容量增加的同时，$/GB显著减小。此关系与磁带库和光盘库的关系类似，因此这种HDD有用作虚拟带库(VTL)的潜在应用。
本发明可用于其中至少一个读/写头访问一个以上的盘表面的任何HDD。例如，早期的磁记录HDD一公知的IBM RAMAC 305一具有一叠盘和单个臂，在盘叠中所述盘相对于彼此是固定的，所述臂具有能从叠中的一个盘移至叠中的另一个盘的读/写头组件。2008年10月9日提交的题为“HARD DISK DRIVE WITH DISK SEPARATOR FOR CREATING AXIALGAPS BETWEEN DISKS FOR ACCESS BY READ/WRITE HEADS”的第12/248,117号申请中描述了一种HDD，其具有较多数目的盘，但仅具有两个读/写头，该申请转让给了本申请的相同的受让人。此HDD具有在盘叠中可相对于彼此轴向移动的盘，图1A-1B中示出了该HDD，以下将简略概述该HDD。
图1A-1B中，HDD具有基座10和单个头-臂组件40，在可旋转的心轴30上有盘叠20(例如显示为13张盘，编号为盘20-1至20-13)，头-臂组件40包括刚性臂42和两个在各自的空气轴承滑块44、46上的读/写头。基座10内的心轴马达32使心轴30绕轴31旋转。每个盘的至少一个表面且优选两个表面具有用于数据存储的磁记录层。滑块44、46分别通过悬架43、45安装在刚性臂40上。悬架43、45包括将滑块向其各自的盘表面推压的挠性元件，如本领域公知的那样。
通过致动器50，头-臂组件40可绕轴52旋转。通过致动器驱动器54，致动器50还可相对于基座10轴向移动，从而使得头-臂组件40的轴向高度能被改变。致动器驱动器54可以是步进电机，其通过丝杠(lead screw)56与致动器52连接。通过图1A-1B中头-臂组件40的两个不同位置，示出了头-臂组件40相对于基座10的轴向高度调节。图1A中，头-臂组件40位于盘20-5和20-6之间的轴向间隙内，盘20-5的下或背数据表面20-5b可由滑块44上的头访问，盘20-6的上或正数据表面20-6a可由滑块46上的头访问。图1B中，头-臂组件40已经移到下部，且位于盘20-12和20-13之间的轴向间隙内，盘20-12的背数据表面20-12b可由滑块44上的头访问，盘20-13的正表面20-13a可由滑块46上的头访问。
堆叠中的盘20不固定在心轴30上的固定不变的位置上，而是可以在心轴30上上下轴向移动。这通过位于心轴30内的盘分离器80实现，盘分离器80分离任意对轴向相邻的盘以形成轴向间隙。盘分离器80安装在控制杆90上，控制杆90使盘分离器80与控制杆90一起旋转，但允许盘分离器80沿控制杆90轴向上下移动。控制杆90位于心轴30内，且可相对于心轴30旋转。盘基座10中的盘堆叠步进电机100通过差动轴104与差动旋转机构102连接，并控制相对于心轴30的旋转的控制杆90的旋转。
因为头-臂组件40可通过臂高度步进电机54而轴向移动，所以滑块44、46能在由不同对的分离的盘形成的不同的轴向间隙内径向旋转。这允许除其表面由滑块44、46上的头访问的该对盘之外的所有盘在一起隔得非常近，从而实现比传统HDD更高的容积效率(volumetric efficiency)。为了头-臂组件40从图1A中的位置移至图1B中的位置，头-臂组件40首先必须旋转到盘20-5和20-6之间的轴向间隙之外，并超出盘堆叠的外周。这通过头支架(图1A-1B未示出)实现，头支架也随头-臂组件40一起轴向移动，但不随之旋转。这种头支架可以是传统的“加载/卸载”(L/UL)斜面结构(rampstructure)，滑块从盘“卸载”至其上，之后“加载”到盘上。在滑块44、46已经旋转到图1A中的盘20-5和20-6之间的轴向间隙之外并自盘表面20-5b、20-6a卸载到L/UL斜面上之后，盘分离器80在图1B中的盘20-12和20-13之间形成新的轴向间隙。然后，滑块44、46移离L/UL斜面并加载到图1B中的盘表面20-12b、20-13a上，在该处，滑块能在新选定的轴向间隙内在盘表面上旋转。
在图1A-1B所示的HDD中，以及其中头必须从一个盘表面移至另一盘表面的任何HDD中，需要时间来进行该转移。在此时间中，盘驱动器不能读或写数据，因此每次转移头时，读和写必须临时中断。虽然HDD以传统方式使用(即较小文件的随机读和写)时这不会是明显的性能影响，但是当HDD用于数据的连续读或写(如VTL中那样)、或用于大文件(如多媒体文件)的读或写时，这会导致显著的缺点，该大文件需要存储在一个以上的盘表面上。
本发明中，将非易失性固态存储器与一对盘表面关联。在头从该对盘表面中的一个盘表面转移至另一盘表面的时间中，从关联的非易失性存储器中读取数据或向其写入数据。数据首先读取自或写入到一个盘表面，然后读取自或写入到非易失性存储器，然后在完成头转移之后，读取自或写入到另一盘表面，从而允许数据的无缝传输。
图2是根据本发明的磁记录盘驱动器(HDD)200的框图。HDD 200包括硬盘控制器(HDC)212，其可以包括微控制器或微处理器，和/或以微控制器或微处理器来实现。控制器212运行存储器214中存储的计算机程序，该计算机程序实施以下进一步说明的逻辑运算(logic and algorithms)。存储器214可与控制器212分开，或作为控制器芯片上的嵌入式存储器。该计算机程序也可以以微码(microcode)或控制器212可访问的其它类型的存储器来实施。
控制器212与主机接口216连接，主机接口216与计算机主机218通信。主机接口216可以是任何传统的计算机-HDD接口，例如串行ATA(高级技术附件)或SCSI(小型计算机系统接口)。
控制器212还通过读/写通道220与HDD的两个读/写头H1和H2中的每一个连接。该HDD具有从0至N-1编号的N个盘，图2所示为5个物理磁记录盘，其被编号为盘D0至盘D4。盘D0-D4安装在心轴马达232上，并被心轴马达232旋转。盘分离器280在轴向相邻的盘之间创建轴向间隙，如图2中盘D0和D1之间的间隙所示的那样。头H1与盘的下或背表面关联并访问之，H2与盘的上或正表面关联并访问之，如图2所示，其中H1在D0的背表面(D0-b)上，H2在D1的正表面(D1-f)上。每个盘表面具有被划分成毗邻的物理扇区的同心数据轨道，数据存储在其中，且每个物理扇区与逻辑块地址(LBA)关联。表面D0-b和D1-f一起形成“逻辑”盘，即在D0-b和D1-f上LBA被连续编号，从而能在逻辑盘的所有LBA上连续写入或读出数据，且通道220仅将头从H1切换至H2。类似地，其它的轴向相邻盘的正和背表面形成其它的逻辑盘。致动器250跨盘表面上的同心数据轨道移动头H1、H2，从而头能访问数据将读出或写入的所需物理扇区。致动器驱动器254轴向移动致动器250和所连接的头H1、H2，从而头能访问堆叠中不同盘的与之相关的盘表面。
控制器212用作数据控制器，以通过读/写通道220从计算机主机218传输写数据块以通过头H1、H2写至盘表面，以及将读数据块从盘表面传回计算机主机218。控制器212还通过数据总线260与非易失性存储器270通信，于是可以将写数据块传输至非易失性存储器270的存储地址，以及从非易失性存储器270的存储地址取回或读取数据块。一种非易失性存储器270可以是闪存。闪存将信息储存在浮栅晶体管(称为“单元”)的阵列中，可按块进行电擦除和再编程。其它类型的非易失性存储器可以是磁随机存取存储器(MRAM)或相变随机存取存储器。
非易失性存储器270可以具有N-2个分区，其中N是盘的数量。如图2所示，非易失性存储器270具有编号为P1至P3的3个分区，每个分区与从盘表面对中的一个盘表面至盘表面对中的另一盘表面的切换相关联。P1与物理盘D1的正和背表面关联，P2与物理盘D2的正和背表面关联，P3与物理盘D3的正和背表面关联。当头组件需要被轴向移动从而从与D0-b/D1-f逻辑盘关联的LBA切换至与D1-b/D2-f逻辑盘关联的LBA时使用P1。类似地，当头组件在其它逻辑盘之间移动时，使用P2-P3，如图2所示。非易失性存储器270的分区中的每个存储地址与LBA相关联。虽然非易失性存储器在图2中被示作具有多个分区的单个模块或芯片，但是非易失性存储器可以是多个模块或芯片。例如，每一对盘表面可以有一个闪存芯片与之关联。
本发明中，LBA从一个逻辑盘，经关联的非易失性存储器分区的存储地址，至下一个逻辑盘连续编号。例如，LBA从物理盘D0的背表面(D0-b)，经物理盘D1的正表面(D1-f)，经非易失性存储器或非易失性存储器的分区P1的存储地址，然后至物理盘D1的背表面(D1-b)，然后至物理盘D2的正表面(D2-f)连续编号。这示意性地示于图3。此示例中，每个盘表面具有X个LBA，每个非易失性存储器分区具有Y个LBA。例如，如图3所示，从LBA(1)(D0-b上的第一个LBA)至LBA(X)(D0-b上的最后一个LBA)，至LBA(X+1)(D1-f上的第一个LBA)，至LBA(2X)(D1-f上的最后一个LBA)，LBA连续编号。然后编号在P1的存储器地址中从LBA(2X+1)(P1中的第一个LBA)，至LBA(2X+Y)(P1的最后一个LBA)，然后至LBA(2X+Y+1)(D1-b上的第一个LBA)连续。编号在D1-b上连续直至LBA(3X+Y)(其是D1-b上的最后一个LBA)，然后至LBA(3X+Y+1)(其是D2-f上的第一LBA)，至LBA(4X+Y)(D2-f上的最后一个LBA)。然后LBA编号在P2的存储地址中从LBA(4X+Y+1)(P2中的第一个LBA)至LBA(4X+2Y)(P2中的最后一个LBA)连续。编号经所有分区和它们关联的盘表面对连续。对于堆叠中盘的每对正和背表面和它们关联的分区，LBA以同样的方式连续编号。再次参见图2，不需要与盘表面D0-f和D4-b关联的非易失性存储器，因为在这种HDD中，顶部盘的正表面和底部盘的背表面不可由头访问，且不用于存储数据。
当控制器212传输跨一个盘的正表面和背表面的写数据块(例如大的多媒体文件)时，它将数据连续写入盘的正表面的LBA，然后写入关联的非易失性存储器分区的LBA，然后写入盘的背表面的LBA。再次参见图2，头H2初始位于D1的正表面上，控制器212发送数据块至读/写通道220，读/写通道220将数据块传输至H2。H2将数据块写入D1的正表面的LBA。然后，控制器212通过数据总线260将数据块发送给非易失性存储器分区P1。在将数据块向P1写入的时间期间，头H1、H2被致动器250旋转到盘D0和D1的外周边之外，致动器驱动器254轴向移动致动器250和头H1、H2，然后，致动器250将头H1、H2旋转进盘D1和D2之间的轴向间隙中。在头的至新轴向间隙的转移完成之后，控制器212于是发送数据块至读/写通道220，读/写通道220将数据块传输至头H1，作为头转移的结果，H1现在位于D1的背表面上。H1将数据块写入D1背表面的LBA。如果文件大到在D1背表面的所有LBA被用完后还需要更多的LBA，则读/写通道220将数据传输切换至头H2，数据块用D2正表面上的头H2来写。于是，数据文件被无缝写入，在多个盘表面和关联的非易失性存储器分区之间没有间断。数据块的读出，即所存储的数据从盘数据扇区和非易失性存储器地址向计算机主机218的回传，以同样的方式进行。在将头从一个轴向间隙转移至另一轴向间隙从而头能访问不同数据表面所需的时间期间，从与适当的非易失性存储器分区的LBA关联的存储器地址取回或读出数据块。
非易失性存储器或分区的大小可由已知的数据传输率和已知的完成头的从一个轴向间隙至另一轴向间隙的转移的时间来确定。例如，如果数据传输率为约60MB/s，且轴向头转移耗时约1秒，则每个分区可以具有至少60MB的容量。
虽然已经参照优选实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员理解可作出各种形式和细节上的改变而不脱离本发明的实质和范围。因此，所公开的发明应被视作仅仅是示范性的，且其仅受限于所附权利要求书中载明的范围。