计算机盘驱动器 节省功率的方法和装置 本发明涉及到其转速加以控制的计算机存储盘装置，具体地涉及到多速恒线速和多速恒角速盘驱动器的减少功能问题。
人们知道减少计算机和它们外设的功耗有助于能量的保存。此外，人们认识到减少计算机部件和外设的功耗能减小它们所用电源的尺寸。较小的电源有利于使用便利的便携式计算机，如膝上和笔记本计算机。因此希望减少计算机外设的功耗，以便节省能量和增加计算机的便利性。
人们知道当盘驱动器中未装入记录用媒体时，可以减低加到计算机盘的头驱动马达上的电压，颁给Shoji等人的美国专利4,783,706公开了这一安排，然而当盘驱动器中存在记录用媒体时，就无法使用该方法来节省功率。
人们还知道，可在盘驱动器不工作一段预定的时间后，将记录用媒体“停转”，也即停止旋转，由于盘是闲置的，所以该方法可节省功率。该方法公开于颁给Hartung等人的美国专利5,197,055中。然而当需要将盘“加速”达到运行转速时，将有明显的时间延缓。
在颁给Freeze的美国专利4,987,502中公开了一种方法，为了使头接触磨损均匀分布，可随机地选择连续工作的盘道。该系统计算闲置的期间，以便决定何时移动头。当闲置期间到达预定最大值时，该系统使用控制器将盘停转。将盘停转的节省功率的效果和上面讨论的’055专利的“停转”方法是相同的。另外，当应用’502专利所公开地方法而在停转后重新到达运行转速时，仍然有明显时间延缓的缺点。
在颁给Hack等人的美国专利5,050,015和颁给Nagasaki等人的美国专利5,117,315中都公开了类似的将头移动以便减少磨损的方法和安排。’015专利公开的方法是将头移至等待磁道或磁头可用区以外的区域。由于’015专利公开的方法其目的是减少磨损，所以磁道位置和等待时间决定于哪个磁道读得最多。一个控制线路用于停止和启动移动操作。不幸的是电子控制线路的停止和启动消耗更大功率。’315专利公开的方法是当处理器检测到盘的旋转与否时，将头移动。该系统能在盘启动时将头略微移动2或3道并将头抬起，以减小磨损。在盘起动时减小头对盘的拉牵力，从而节省功率；然而当盘早已旋转时，该装置和方法无法用于节省功率。
颁给Sander的美国专利4,658,308公开了一种方法和装置，用于当测知输给旋转盘的功率切断时，在微处理器控制下将头移至安全“基地”位置。当头与盘的旋转有关时，减小任何不经意的拉牵力，可能会略为节省功率。然而，当盘正在运行旋转时，该方法和装置无法节省功率。
本发明的一个目的是减少光盘装置的功耗，但不会明显地拖长对寻找数据命令的响应时间。
本发明的另一个目的是提供一个用于减少功耗的方法和装置，而不需将盘从光盘装置中移走。
本发明基于发明人以下重要观察：当出现不工作期间时，可发出命令，将转动盘媒体的转轴马达的转速降至最低“运行水平”或刚好低于运行水平，而不必在不工作期间内完全停止盘的旋转或将盘“停转”，从而节省光盘功耗。“运行水平”系指头仍能读或写数据的角速度。
在恒线速(CLV)盘驱动器中，当出现预定的不工作期间时，微处理器向执行器发出命令，将具有读能力的头探索移动至一个外部道。这是有利的，因在给定恒线速(在头下方所测速度)下在外边缘处盘媒体的角速度较小，因此将盘转动的转轴马达的功耗将小些。
在恒角速(CAV)盘驱动器中，在相对的不工作期间，微处理器向转轴控制模块发出控制信号，将转动盘的转轴马达的角速度减低至最低运行水平或刚好低于运行水平，而不必将盘完全“停转”，这样就在不工作期间降低转速。
有利之处是，在两个实施例中，盘在运行着，除非盘很长时间不工作，盘不会完全“停转”。所以当收到I/O命令而将盘“升速”时没有明显的时间延缓。因此本发明可用于将盘维持在运行模式，或将盘旋转于刚好低于运行模式的转速，从而节省盘转轴马达的功耗。在上面提到的例外中，即当盘的不工作期间已达到预定的足够长的时间时，可将盘停转。根据本发明，只当CLV驱动器的头移至外部道之后，或当多速CLV和多速CAV驱动器的角速度减至最低可选速度之后，才将盘停转。
图1是本发明的框图；
图2显示用于恒线速型盘驱动器的盘媒体；
图3A是用于说明本发明重要关系的图形；
图3B是用于说明本发明另一重要关系的图形；
图4是本发明一个实施例的流程图；
图5显示用于恒角速型盘驱动器的盘媒体；
图6是本发明另一实施例的流程图；以及
图7是显示用于理解本发明的操作顺序的时序图。
某些和盘驱动器，尤其和用于转动盘媒体的直流马达有关的电气工程原理，能帮助我们理解本发明。
众所周知，在欧姆定律中电压(V)等于电流(I)乘以马达的电阻(R)，或V＝I*R。此外人们知道马达功率由下列关系给出：P＝V*I＝V2/R。人们也知道特定马达的电压由下一等式与其角速度相关连：
V＝Ke*ω其中Ke是决定于一定马达类型的特性的马达电压常数，ω是马达角速度，因此产生下列有用关系：
P＝Ke2*ω2/R因此发明人认为，由于马达的功率随着马达角速度的下降而下降，因此希望能开发一种能自动利用此关系的方法和装置。
参照图1，显示了能够减少盘驱动器10的功耗的装置的一般框图。光盘是最佳实施例；然而本发明的说明也适用于非光盘驱动器，如直接存取存储装置。本发明特别适用于采用恒线速(CLV)和恒角速(CAV)控制方案的那些盘装置。因此盘驱动器10可以是或者CLV或者CAV型。本发明也适用于特殊型号的CAV盘驱动器，称作分区恒角速型(ZCAV)。ZCAV盘驱动器是一种CAV驱动器，其中所记录数据的线密度随着半径的增加而作增量增加。微处理器12具有它自已的存储器，如随机存取存储器13和只读存储器15，后者用于存放命令和完成例如“通电”测试那样的任务。该存储器用于存放微码14，后者是一套用于完成微处理器功能的预编程指令。发明人设想最好将微码中的指令在微处理器中实现，而该微处理器是盘驱动器的一部分，例如图中显示出微码14为专供盘驱动器10使用的微处理器12的一部分。人们认识到也可用其他方法实现可用指令，例如可用“C”语言编写为应用程序并在控制单元26中运行，后者通过连接电路27与盘驱动器10接口。然而人们相信更有效的方法是在微处理器中直接实现指令，此时指令的数据路径能取得最短。指令集决定于具体的微处理器。用于计算机和计算机外设的几种常用的微处理器由Intel公司制造，当然其他制造商，例如Motorola，也提供产品，用于类似任务。例如，可参照下列文件，以便更深了解Intel微处理器的编程：Intel的Microprocessor Peripheral Handbook，第一卷以及J.Crawford和P.Gelsinger的Programming the 80386。
再参照图1和图2，微处理器12通过连接电路27与控制单元26相连，后者可以是一个个人计算机微处理器，而连接电路27可以是一个小计算机系统接口(SCSI)卡。微处理器12控制一个用于控制转轴马达18的转轴控制模块16，该马达18从电源19接收功率。转轴马达具有一个旋转部件24和一个底盘22，用于安放盘媒体并转动它，如盘30(图2)。微处理器还控制执行器17，后者通过已知机构对数据读头23的移动加以控制。从头读取的数据通过缓存28和数据电路25送至控制单元26。根据所采用的是恒线速还是恒角速方案，转轴控制模块16和执行器17由微处理器15中的微码14加以控制。包括微码14的微处理器12，加上微处理器的板上ROM13和ROM15以及时钟11，组成了盘驱动器10的节省功率模块21。
本发明的一实施例可用于熟悉的恒线速盘驱动器。在恒线速光盘驱动器中，例如CD—ROM(光盘—只读存储器)中，激光头用作速度传感器。参照图2，一个CD—ROM30采用单路径32，它形成的近似于同心圆，如圆33和34。单路径从盘30的圆心35按螺旋线形状伸至外边缘36，包括数据的扇区37在逻辑上和物理上和盘上所有其他扇区的尺寸相同。虽然实际上只有一个路径，但每一个近似的同心圆都被认为是一条道，一条假想径线“r”从中心35延伸至外边缘36，径线r上的点ri和ro分别对应于内径和外径，内径ri起始于盘中心附近，而外径ro是在外边缘处测得，盘的角速度ω等于转动它的转轴马达的角速度。道33a和34a分别对应于圆33和34。因此道33a是最靠近盘30外边缘的道。
参照图2和3A，可以更好地理解使用CLV盘驱动器时盘半径和马达消耗功率的重要关系。使用恒线速方案时，盘驱动器(如驱动器10)经常改变盘(如盘30)的旋转速度，以便当数据读取头(如头23)在盘的一部分上方移动时，在头处所测速度保持恒定。此速度Vdata实际上是由头读取的媒体的速度。VData也能在多速装置中变化；但一旦速度选定后，Vdata即保持恒定，而角速度则变化。运动学的，或旋转动力学关系由下式决定：
VData＝r*ω其中r是盘半径和VDota是在头处所测数据的切线速度(也即沿着同时垂直于正常旋转轴和半径两者的方向)及ω是所测的以每秒转数(RPM)为单位的角速度。对于一个给定的恒线速VData，为了服从所给出的关系，当半径由盘中心增加到盘的外边缘时，相应的角速度应该下降。图3A用于解释此点，是一个采用恒线速方案的多速驱动器的角速度和半径的关系曲线。点ri和ro对应于图2的径线“r”。图3A所示顶部曲线38a显示多速CLV驱动器设置在高速状态下角速度ω对不断增长的半径的反比关系。较低曲线38b显示同样关系，但幅值较小，设置在多速CLV驱动器的低速状态。该关系可以换算到功力耗，因为已知：
P＝Ke2*ω2/R可以看出P=Ke2*VData2r2•R]]>发明人认为该原理可用于减少盘驱动器中功耗，并已根据以下事实发明一种自动方法和装置：当将盘驱动器保持“运行”或保持在邻近于“运行”速度的速度时，在恒线速盘驱动器中将半径r增加至最大值能减小转轴马达的角速度和功耗，运行速度或水平是这样的盘速度，使头仍能读取或写数据到盘上。
参照图1和图4，可以很好地理解本发明的最佳实施，在图4中显示了包括指令概貌的流程图。每一步中微处理器12实现微码指令，以完成该过程；然而为简单起见，由于微处理器是主要角色，所以只研究它的操作，微处理器12的“启动”步41和盘驱动器的“通电”相重合。“驱动器工作”检验步42由微处理器12完成，以检查在头23和盘之间或者在驱动缓存28和数据电路25之间是否传送任何数据。另一种方案是由控制单元26完成步42，以检查当前是否有任何文件已打开(也即正被读取或正有数据写入它们)。如这是肯定的，则驱动器认为是“工作”，而在步43中一个用于测量“不工作”期间的时钟11复位为零，步42连续地完成，直至所有工作都停止，遇到这种情况驱动器被认为是“不工作”。接着处理器检查时钟11，以确定驱动器不工作的期间已否超过了预定时间T1(步44)。在此“不工作”期间，仍然检查驱动器是否工作。一旦超过预定时间，同时驱动器仍不工作，即认为驱动器的“工作水平”低于预定的参考工作水平。因此当在时钟11处所测时钟时间t已超过预定时间T1而驱动器处于不工作状态时，微处理器12将盘驱动器12转为节省功率模式(步45)。发明人认为也可以在所测时间t小于预定时间T1的情况下转为节省功率模式，这样并不背离本发明的实质。
参照图1、2、3A和4，在恒线速盘驱动器中，微处理器12向执行器17发送信息，使头23探寻至道33a，后者具有从盘中心35测量的最大半径(图4步45)。转轴控制模块16自动地安排去维持恒线速(VData)，其补偿方法是将转轴马达18的角速度减至图3A的最低运行水平(其中横座标是ro)，如步45所示。因此前面描述的关系在半径增加而角速度减小时证实功率的减少，可以看出功率的节省是显著的。由于功率和半径的平方成反比，所以这点更为明显，对于多速驱动器讲，微处理器12接着命令转轴控制模块16选择最低可用速度，从而进一步节省功率(步46)。当头处于外侧道(例如道33a)时，CLV驱动器处于它的低RPM，想要访问位于盘上任何其他位置的数据时只需一条由微处理器12发出的简单“探寻”命令即可。虽然进行CLV探寻时也伴随着速度变化，但这个变化伴随着CLV驱动器中每一个“探寻”实现而进行。因此在节省功率模式中驱动器仍完全处于运行状态。盘在不工作时只是在降低的速度上旋转而不是“停转”，这是有利的，因为完全停转的盘需要相当长时间“加速”以达到运行速度。当然也可以将盘降速至刚好低于运行转速的水平而不停转，从而达到节省功率的目的，这并不背离本发明的实质。
参照图1和3B，本发明的另一实施例是用于恒角速(CAV)方案的盘，多速恒角速(CAV)方案是众所周知的。典型方案是如马达18那样的转轴马达用作速度传感器，其方法是将测速表连至马达的旋转部件(如部件24)，并将信号进行数字编码。另一方案是将来自马达的信号与参考信号比较，以确定转轴马达的旋转或角速度。一旦测得马达速度，微处理器12即可通过电源19改变加至马达的电压，从而控制马达速度。其结果示于图3B，不管如头23那样的头相对于半径位于何处，都能维持恒角速，所示半径从靠近中心的内径值“ri”增加到靠近外边缘的外径值“ro”。顶部线39a代表CAV驱动器的高速设置，而底部线39b代表CAV驱动器的低速设置。在这两个情况中，不管头当前位置的半径多大，角速度都保持同一数值。
参照图5，显示了一种可用于CAV盘装置的盘50。同心圆形成道53，它们在径向分成扇区52。盘由伺服系统或其他类型的控制模块(如模块16)加以控制，始终以同一速度旋转。典型的盘是磁盘或光盘。这类CAV装置允许自动选择所需速度，例如高速可以是3600RPM而低速可以是2400RPM。
发明人测得节省功率的例子，在下面表格中加以阐述，其中角速度以每分转数或RPM来测量：RPM 电流(安培) 功率2400 0.52A 6.2瓦3600 0.60A 7.2瓦该实验装置包括一个以所标明RPM值旋转的Hewlett—PackardC1716T CAV光盘驱动器，和一个Tektronix AM503电流探头。加至马达的电压是12伏DC，瓦数用欧姆定律计算而得，可以看出，降低RPM值可节省约16％((7.2—6.2)/6.2)。
在此例中，从上表可以看出，运行于较低速度时可节省大约16％，当然其代价是较低转速时数据的访问时间必然慢些。因此可应用上面应用于恒线速盘的同一概念，发明人们发现，监视驱动器的工作水平并将它与参考工作水平比较，在不工作期间超过预定时间时用于自动降低速度。“工作”或“不工作”状态是由驱动器微处理器12所监视的I/O工作情况来确定的，也可由是否有文件打开这一事实来确定，这由控制单元26所监视。
参照图6和1，描述了使用CAV盘的本发明实施例。如CLV驱动器一样，每一步中微处理器12都实现微码14，以便完成该过程；然而为简化起见，只牵涉到用以完成微码指令的微处理器操作。微处理器12的“启动”步61与盘驱动器的通电相重合，与CLV驱动器一样，由微处理器12完成“驱动器工作”检验步62，以检查是否出现数据I/O或是否有任何文件被打开(也即是否被读取或有数据写入它们)。如有任何文件已打开，则驱动器被认为是“工作”，于是在时钟11处测时用的时间计数器t在步63时复位清零。步62连续地加以完成，直至所有数据传送都停止或所有文件都关闭，而当出现此情况时，驱动器被认为是“不工作”。接着处理器检查时钟11，以确定驱动器一直不工作的时间是否超过了预定时间。如CLV装置一样，在步64中一旦驱动器不工作的时间超过预定时间后，即认为驱动器“工作水平”低于预定的参考工作水平。因此当在时钟11处所测时钟时间t超过预定时间T1后以及驱动器仍处于不工作状态时，如步66所示，微处理器12将盘角速度减至最低运行速度，进入节省功率模式。
现参照图4、6和7，参照图7，一条在方向76测量时间的时间线70显示了当装置处于功率节省模式中超过预定期间时，不论是CLV或CAV方案，都可在上面描述的功率节省模式的一般方法外，再加上一个完全的装置停转。例如，当使用盘驱动器的计算机通了电而未运行，就可实现上述方案。时间线段72(段72)显示工作装置，工作装置系由图4步42或图6步62所确定，一个装置或驱动器(段74)不工作T1秒后(段77)即置为功率节省模式(段78)，并保持TLOW秒(段82)，接着马达速度下降直至马达停止旋转(段83)。这样一来，对于长期不工作的盘，在正常运行模式中用于节省功率的方法和装置就和另外的节能技术结合使用。在最佳实施例中，可由如微处理器12那样的微处理器通过如微码14那样的微码中的指令来完成这种方法，当需要装置工作时，它可恢复旋转至运行速度。
描述了本发明的最佳实施例，用于减少盘驱动器的功耗，而不会明显地减慢对盘上数据的存取速度；然而应该理解技术熟练的人可作修改。因此本发明的保护应只根据下列权利要求范围受到限制。