книги из ГПНТБ / Преснухин, Л. Н. Цифровые вычислительные машины учебное пособие

Запись по двум уровням называют методом записи «без возврата к нулю».

При проектировании устройств с магнитной записью следует иметь в виду, что магнитный носитель информации должен обладать: а) вы­ сокой прямоугольностью петли гистерезиса; б) однородностью магнит­ ных свойств; в) хорошей механической прочностью основы.

В качестве магнитных материалов в основном используют ферро­ лаки на основе окислов железа, наносимые пульверизацией на диэ­ лектрическую основу, и высококоэрцитивные металлические сплавы, наносимые гальванически на металлические поверхности барабанов или дисков. Если использовать магнитный материал, представляющий собой тонко измельченный и равномерно распределенный в связую­ щем веществе порошок, то возможно получение высокого удельного магнитного сопротивления. Напряженность магнитного поля для записи информации в такой носитель составляет (2 -е 5 )-1 0 4 А/м. Величина магнитной индукции Вг выбирается 0,1 -н 0,5 Тл.

П р о ц е с с з а п и с и . Отношение составляющей напряженности магнитного поля Н магнитной головки на расстоянии х от зазора к ве­ личине напряженности Н3 в середине зазора

Н = (2/я) # 3 arctg Г(А/2)/дг],

где А — ширина зазора в магнитной головке.

Для перемагничивания материала носителя информации необхо­ димо, чтобы величина магнитного поля превышала коэрцитивную силу Ис материала:

[(2/л) # 3 arctg (А/2дг)] > Нс.

При расстояниях х = Д/2 величина Н составляет’половину вели­ чины # 3, а при х = А — лишь ее треть. Для того чтобы не создавать чрезвычайно больших полей для переключения высококоэрцитивных носителей информации, магнитная головка должна быть удалена от носителя на расстояние меньшее, чем А. При этом также удается уменьшить ширину отпечатка на носителе информации.

Из формулы для определения Н следует, что увеличение А позво­ ляет получить более плавное изменение Н в области зазора. Однако чем больше А, тем меньше разрешающая способность головок при счи­ тывании, а также больше площадь отпечатка, т. е. меньше плотность размещения информации. При увеличении А возрастают потоки рас­ сеяния, снижая скорость нарастания токов записи и соответственно ско­ рость нарастания напряженности магнитного поля.

е Вы х ~ У В г Н с Т в ,

где Вг — остаточная магнитная индукция; Н с — коэрцитивная сила; Гн — толщина магнитного носителя информации.

Поскольку ширина зазора магнитной головки А определяет быстро­ действие ЗУ на магнитных носителях и плотность в них информации, то ее выбор имеет важнейшее значение при проектировании внешних

300

ЗУ. Для выбранных параметров носителя информации оптимальная величина А пропорциональна соотношению:

А ~ В Д У (2 л Я с).

Таким образом, А имеет прямую зависимость от толщины носи­ теля информации Тн и величины остаточной магнитной индукции Вг н обратную от величины коэрцитивной силы Нс, т. е. увеличение Нс снижает А и, следовательно, дает возможность увеличить плотность записи информации.

Выходной сигнал магнитной головки пропорционален скорости

Резонансная частота /р магнитной головки обратно пропорцио­ нальна числу витков головки считывания:

/Р ~ 1/я.

Поскольку рабочая частота должна быть значительно ниже / р, то возможность увеличения выходного сигнала е за счет увеличения числа витков головки считывания уменьшается по мере увеличения быстродействия внешнего ЗУ.

П л о т н о с т ь з а п и с и . Теоретический предел плотности за­ писи информации на магнитных носителях информации равен 1010 -г- 1011 бит/мм2. В современных внешних ЗУ на магнитных дисках продольная плотность записи информации составляет 80 н- 100 бит/мм, а количество дорожек — 5 -у 10 на один миллиметр. Следовательно, реализуемая плотность записи информации 400 ч- 1000 бит/мм2, что более чем на восемь порядков ниже теоретического предела. Исполь­ зование новых методов считывания — записи информации на магнит­ ные носители позволит значительно улучшить характеристики ВЗУ на магнитных носителях информации. Среди этих новых методов наи­

больший интерес представляют магнитооптические.

Принципы построения внешнего ЗУ на магнитном барабане, дис­ ках, ленте. В н е ш н и е ЗУ н а м а г н и т н о м б а р а б а н е . В ЗУ на магнитном барабане используют покрытый слоем магнитного материала цилиндр, который вращается вокруг своей оси, и блок магнитных головок, производящих запись и считывание информации параллельным кодом вдоль образующей. Число магнитных головок в блоке равно числу бит, записываемых или считываемых параллельно.

Общая информационная емкость накопителя на магнитном барабане может быть оценена следующим образом. Если барабан имеет диа­ метр D и длину L, то шаг расположения головок вдоль образующей равен у, а линейная плотность расположения отпечатков вдоль доро­ жек 6. Тогда информационная емкость магнитного барабана С„^:

См.б = л£>16/у.

301

На рис. 6.23 приведена функциональная схема ЗУ на магнитном барабане. Для задания адресов кодов чисел на магнитном барабане МБ имеется специальная дорожка синхронизации ДСИ, сигналы с которой считываются головкой воспроизведения Ь, находящейся в блоке го­ ловок воспроизведения БГВ. Метки на дорожке синхронизации нане­ сены с шагом 6. Начало отсчета меток синхронизации определяется меткой на нулевой дорожке. Сигнал отсчета считывается головкой а, находящейся также в БГВ, и подается для гашения в счетчик адреса СчА. Сигналы с ДСИ подсчитываются в СчА и в каждый момент вре­

мени его содержимое определяет коорди­

периодически один раз за оборот мимо мест, где записаны все коды чисел. Поскольку данное ЗУ является периодическим, то время выбор­ ки кода числа зависит от адреса и в худшем случае равно времени одного оборота барабана (в среднем оно в два раза меньше).

Анализ работы ЗУ на магнитных барабанах позволяет отметить следующие их основные достоинства: а) компактность и надежность при величине информационной емкости до нескольких миллионов бит и времени выборки в десятки миллисекунд; б) параллельную выборку кодов чисел со считыванием без разрушения информации и параллель­ ную запись кодов чисел; в) цикличность (периодичность) считывания — записи кодов чисел; г) повышенный уровень выходных сигналов вслед­ ствие высокой скорости вращения магнитного барабана.

Недостатками ЗУ на магнитных барабанах являются: а) ограничен­ ная информационная емкость; б) значительная стоимость; в) сложность эксплуатации.

3 0 2

В н е ш н и е ЗУ н а м а г н и т н ы х д и с к а х . Магнитный носитель информации может быть нанесен с двух сторон на поверх­ ность плоского круглого диска. На концентрических магнитных до­ рожках таких дисков возможно осуществлять запись информации подобно записи на граммофонных пластинках. Некоторое количество дисков можно насадить на одну ось и привести во вращение. Запись и считывание информации осуществляют магнитными головками. В це­ лях экономии используют либо одну пару головок во всем устройстве, либо столько пар головок, сколько дисков в устройстве (рис. 6.24), где k дисков насажено на ось А, головки а и b позволяют считать и записать информацию с одной стороны диска. В случае использования

дисков h — 10 -т- 15 мм, поэтому информационная емкость накопите­ лей на магнитных дисках при одинаковом физическом объеме в 20 -¥■ 40 раз превышает, информационную емкость накопителей на магнитных барабанах. Поскольку внутреннюю часть магнитных дисков исполь­ зуют недостаточно эффективно, то фактический выигрыш будет не­ сколько ниже.

По сравнению с ЗУ на магнитных барабанах ЗУ на магнитных дисках имеют следующие преимущества: а) значительно большая информационная емкость при тех же габаритах; б) значительно боль­ шая скорость обращения, достигающая сотен миллисекунд для си­ стемы с одной парой головок; в) возможность замены части или всех дисков; г) меньшая стоимость хранения одного бита информации.

303

В н е ш н и е ЗУ н а м а г н и т н о й л е н т е . В накопителе информации на магнитной ленте носитель информации наносится на тонкую (в диапазоне десятков микрон) ленту из лавсана или другого полимерного материала. Ширина магнитной ленты обычно не пре­ восходит 35 мм. При существующих плотностях записи информации поперек длины магнитной ленты не удается записать целиком мно­ горазрядное слово. Применение широких магнитных лент для парал­ лельной записи цифровых кодов встретило ряд технических труд­ ностей, одной из которых является перекос ленты. На магнитной ленте информация записывается в параллельно-последовательном коде.

Вследствие значительно меньших скоростей движение лент и жела­ ния увеличить плотность записи информации в накопителях на ленте применяют контактный метод считывания и записи (головки записи —

кассета с магнитной лентой обладает значительным моментом инер­ ции, то возникает технически сложная задача разгона и торможения ленты. Для исключения влияния массы кассет используют буферные хранилища между кассетой и зоной головок считывания — записи (рис. 6.25). В вакуумной колонке 5 компенсационные петли магнит­ ной пленки удерживаются за счет пониженного давления под пет­ лями, создаваемого отсосом 6. Специальная следящая система регу­ лирует положение петли изменением скоростей двигателей, приво­ дящих в движение кассеты 1. Ведущие ролики 2, вращающиеся1 в разные стороны, вызывают движение ленты вправо или влево, мимо головок считывания — записи 4, в зависимости от того, какой из при­ жимных роликов За или <36 будет прижат через магнитную ленту к ведущему ролику.

В некоторых системах ЗУ на магнитных лентах не используют кассеты, а магнитная лента укладывается в специальные карманы. Возможно так же в этом варианте использование ленты в виде замкну­ той склеенной системы.

Цифровая информация, записанная в параллельно-последователь­ ном коде, размещается массивами на определенных участках поверх­ ности магнитной ленты, называемых зонами.

Время обращения к ЗУ на магнитной ленйе Ц.л = Щ Д з Ф* ц>

30 4

где tn — время пуска ленты; t3 — время поиска зоны ленты, где находится информация; б, — время протекания процессов магнитной записи пли считывания.

Время пуска t„ и, особенно, время поиска зоны t3 очень велики и при большей длине магнитной ленты могут достигать нескольких минут. Собственная же скорость считывания и записи на магнитной ленте достигает сотен килогерц. Поэтому после нахождения зоны желательно считать и записать достаточно большой массив информа­ ционных кодов.

Достоинства ЗУ устройств на магнитных лентах следующие: а) прак­ тически неограниченная информационная емкость при наличии смен­ ных кассет; б) возможность обмена кассетами между вычислительными центрами; в) высокая скорость обмена информацией; г) наиболее низкое отношение стоимости к информационному объему из всех внеш­ них устройств; д) малая стоимость долговременного хранения больших массивов информации.

Недостатки ЗУ на магнитной ленте следующие: а) малая надеж­ ность из-за возможности обрывов и нарушений покрытия ленты, а так же износа головок вследствие контактной записи; б) малое быстро­ действие.

§ 6.9. ВНЕШНИЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЗУ

Оптические постоянные внешние ЗУ. Для записи больших массивов информации с высокой плотностью может быть применен оптический принцип модуляции светового луча, позволяющий фиксировать инфор­ мацию на носителе информации. Рассмотрим, например, как осуществ­ ляется запись и считывание информации в накопителе с фотоноси­ телем.

Лучшие фотоматериалы обладают разрешающей способностью до Ю3 лнний/мы, что позволяет получить плотность информации до 106 бит/мм2. Фотоноситель в ЗУ может быть нанесен в виде слоя на поверхность ленты или диска. При записи информации модулирован­ ный луч лазера или другого источника света вызывает засвечивание отдельных участков носителя информации, поэтому после проявления на носителе образуется система темных точек, определяемая записан­ ной информацией. Считывание информации осуществляется путем механического движения фотоносителя относительно источника света и фотоэлемента. При этом луч света, проходя через участок носителя, действует на приемник света, вырабатывающий электрический сиг­ нал в случае прохождения луча через носитель. В принципе можно использовать матрицу фотоприемников и при освещении участка но­ сителя считывать страницы (массив) информации.

Для повышения эффективности считывания и записи информации в оптических ЗУ с фотоносителем информации можно использовать матрицы из оптических волокон, представляющих собой двухслойные стеклянные нити с разными коэффициентами преломления диаметром около десяти микрон. В этом случае удобно осуществлять подвод и прием световых сигналов, поскольку малый диаметр оптических во­

305

локон позволяет получить компактную матрицу для записи и считы­ вания информации. Другие же концы волокон могут быть разнесены на достаточно большие расстояния для подвода сигналов, например, к матрице фотоприемников. За счет эффекта полного внутреннего отражения затухание сигналов сравнительно мало, что обеспечивает хорошую передачу световых сигналов.

Стремление увеличить плотность информации приводит к повы­ шению требований к качеству фотоматериала, его однородности и, в частности, мелкозернистости и регулярности распределения зерен. Практически плотность информации получается на один-два порядка меньше теоретически определенной плотности. Поэтому в фотонакопи­ телях постоянных ЗУ используют и другие методы записи информации, например полимерную пленку с нанесенным тонким слоем металла. Запись информации производят сфокусированным лучом лазера, кото­ рый прожигает пленку, образуя совокупность крошечных отверстий (до 5 ПО4 бит/мм2). При этом вследствие значительных концентраций энергии в тонком луче лазера неоднородности металлического носи­ теля в меньшей степени влияют на надежность записи информации, а также-не требуется процесс проявления, свойственный фотоноси­ телям. Считывание информации осуществляют обычным способом, причем его надежность также повышается.

Таким образом, фотонакопители постоянных ЗУ позволяют полу­ чить большую плотность записи информации, имеют носители, обеспе­ чивающие работоспособность при различных климатических воздей­ ствиях и не влияющие на быстродействие устройства. Потенциальная стоимость таких устройств значительно ниже, чем магнитных ЗУ, а информационная плотность в единице объема — значительно выше.

Магнитооптические ЗУ. В магнитооптических ЗУ используют эффект взаимодействия электромагнитного излучения (поляризованное электромагнитное излучение в виде света) с магнитной средой при отражении или прохождении излучения через слой материала. Свет называют поляризованным, если в нем существует упорядоченность

колебания вектора напряженности электрического поля Е и вектора

напряженности магнитного поля Н. Результатом взаимодействия по­ ляризованного в определенной плоскости света с магнитным веществом является поворот плоскости поляризации света. Предельная разре­ шающая способность магнитооптического метода считывания и записи определяется длиной волны и при использовании световых волн, имеющих длину волны 0,4 —■0,7 мк, составляет около 107 бит/мм2.

Обычно в магнитооптических ЗУ используют пленочные магнитные материалы, запись в которые осуществляют локальным нагревом участка пленки. Температура Т поверхности пленки, возникающая под действием плотности потока световой энергии Ри

Т = [2 ^ (1 — 7?)/(/С5)]

где R — коэффициент отражения пленки; К — коэффициент тепло­ проводности; S — площадь магнитного пятна; t — текущее время.

306

Постоянную а называют коэффициентом температуропроводности

а = К/(рСт),

где р — плотность материала; Ст — удельная теплоемкость. Подставив в формулу для Т значения параметров магнитного ма­

териала, можно определить, что нагрев в течение нескольких десятков наносекунд при использовании обычных лазеров позволяет поднять температуру до 500° С.

Практически наиболее широко используют носитель информации на основе марганец-висмутовой пленки, которая обладает возмож­ ностью намагничиваться перпендикулярно плоскости пленки. Тем­ пература Кюри этой пленки равна 350° С. Если пленку поместить в од­ нородное магнитное поле, недостаточное для изменения магнитного состояния, то после нагрева ее участка выше температуры Кюри последний приобретет намагниченность, определяемую внешним по­ лем. Если радиус намагниченного пятна rs, то размагничивающее поле пятна

Я р = 2я Mt/rs,

где М — величина остаточной индукции.

Параметры магнитной пленки должны быть такими, чтобы выпол­ нялось соотношение:

Я Р + Я ВН< Я С,

где Я вн — внешнее магнитное поле записи; Нс — коэрцитивная сила материала пленки.

Считывание информации в магнитооптическом ЗУ осуществляется анализом плоскости поляризации при отражении или прохождении света через пленку. В первом случае (при использовании эффекта Керра) имеет место поворот плоскости поляризации, пропорциональ- ,ный величине намагниченности магнитного материала. Во втором слу­ чае (при использовании магнитооптического эффекта Фарадея) пло­ скость поляризации световой волны поворачивается на угол, пропор­ циональный напряженности магнитного поля и длине пути света в веществе. Направление вращения плоскости поляризации зависит от направления вектора намагниченности магнитной пленки. Знак поворота плоскости поляризации при магнитооптическом считывании определяется поляризационным анализатором, интенсивность света ша выходе которого регистрируется фотоприемником.

Для фотооптических и магнитооптических носителей информации эффект записи информации определяется квадратом интенсивности светового луча. Чтобы иметь надежную запись информации в этих устройствах, требуется большая однородность носителей информации, так как даже точечные эффекты носителей вызывают искажение ин­ формации. Открытие голографического метода записи и воспроизведе­ ния информации позволяет строить ЗУ, свободные от указанных недо­ статков. Кроме того, в оптических голографических ЗУ отсутствуют механические и электромеханические узлы и блоки.

Голографический способ регистрации информации. Голография и фотография — это два способа регистрации информации на соответ­

307

ствующий ее носитель. Фотография реальных объектов дает искажен­ ную картину объекта в одной плоскости: предметы впереди и сзади объекта искажены, поскольку находятся вне фокуса оптической си­ стемы. Оптическая система при фотографировании определяет поток световой энергии на плоскость носителя информации и производит воздействие пропорциональное квадрату амплитуды световой волны. Голографический способ регистрации дает голограмму — реальную «полную» запись информации об объекте и ограждающих его предметах. При этом отсутствует необходимость в специальной оптической си­ стеме, поскольку голография есть процесс фотографической записи интерференционной картины, образованной двумя наборами свето­ вых волн — информационным и опорным пучками.

Известно, что взаимодействие двух или более когерентных волн при­ водит к интерференционной картине распределения аплитуды и фазы результирующего колебания. Когерентными волнами будут такие две волны, разность фаз которых во времени остается постоянной; Пусть имеется два точечных источника, каждый из которых излучает свето­ вые электромагнитные волны:

Всоответствии с принципом суперпозиции суммарное колебание

А(/, г) есть периодический процесс, происходящий с той же часто­

той со, что и частота взаимодействующих электромагнитных волн:

В данном выражении принято А х (t, г) = А 2 (t, г) — А, что спра­ ведливо для точек, удаленных на расстояния, значительно превышаю­ щие расстояние между источниками рассматриваемых волн. При этом предположим, что разность гх — г2 имеет малую величину, которая, однако, существенно влияет на амплитуду суммарного колебания. Когда k (rx — гг) — (2М + 1) я, величина cos (2N + 1) я равна нулю, что приводит к нулевой амплитуде суммарнбго колебания. В точках,

30 8

где k (rx — r2) = 2Nn, величина cos2nN -- 1, а амплитуда имеет мак­ симальное значение.

Таким образом, в зависимости от разности хрда двух волн k (гх —

— гг) происходит изменение амплитуды результирующего колебания. Это явление называют интерференцией волн.

Обычные приемники светового излучения инерционны, поэтому они не могут зафиксировать частоту и фазу колебаний; регистрируется лишь усредненная интенсивность волн в плоскости.

Если зафиксировать интерференционную картину, например, на фотопленке, то можно воспроизвести информацию об амплитуде и фазе колебаний, вызвавших данную картину, пользуясь принципом Гюй­ генса—Френкеля. Этот принцип утверждает, что колебание, создавае­ мое в некоторой точке пространства, может быть представлено как сумма колебаний, создаваемых воображаемыми источниками, непре­ рывно распределенными на некоторой поверхности. Т. е., на основе принципа Гюйгенса—Френкеля каждая точка фронта волны может

элементарных источников на фронте волны интерферирует так, что огибающая их совпадает с фронтом волны.

Последовательность действий при записи и воспроизведении голо­ граммы объекта будет следующей. Лучи лазера источника монохрома­ тического когерентного света расщепляются на два пучка. Один пучок (информационный) падает на предмет и, отражаясь от последнего, попадает на носитель информации. Второй (опорный) пучок падает прямо на носитель информации, который регистрирует информацион­ ную картину, представляющую собой в обычном свете сероватый фон засвеченной фотопластинки. Если голограмму осветить лазерным лу­ чом, то в соответствии с принципом Гюйгенса—Френкеля каждая точка интерференционной картины будет источником волн, амплитуда и фаза которых совпадает с теми, которые вызвали запись голограммы вслед­ ствие дифракции волн на неоднородностях голограммы. Интерферируя между собой, отраженные волны при воспроизведении дадут объемное реальное изображенйе объекта. Таким образом, ввиду отсутствия фоку­ сирующих оптических систем голограмма позволяет получить полную четкую картину близких и далеких предметов, что дает иллюзию реаль­ ной трехмерной обстановки, окружающей объект.

Отметим несколько характерных особенностей голограмм:

1) негатив и позитив голограммы дает совершенно одинаковое изображение, поскольку отраженные лучи от голограммы в этом слу­ чае отличаются на 2я;

2)голограмма может быть расшифрована только при освещении когерентным пучком света;

3)при освещении голограммы лучом лазера с другой волной, чем

при записи, меняется размер объекта; 4) часть голограммы дает полное изображение объекта с уменьшен­

ной яркостью, так как каждая точка голограммы несет информацию о всем предмете н уменьшение ее поверхности уменьшает только поток световой энергии.

309