книги из ГПНТБ / Каган Б.М. Цифровые вычислительные машины и системы учеб. пособие

Г л а в а ш е с т а я

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

6-1. ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ЗУ

В вычислительных системах, предназначенных для обработки данных в области учета, экономики, планирования, в системах для обработки информации при сложных научных экспериментах, а так­ же в автоматизированных системах управления производством и от­ дельными технологическими процессами требуется вводить, запоми­ нать, хранить и выдавать огромное количество информации. Для этой цели служат так называемые внешние запоминающие устрой­ ства (В З У ), в качестве которых обычно используют электромехани­ ческие запоминающие устройства, хранящие информацию на движу­ щемся магнитном носителе. При работе вычислительной системы происходит обмен информацией в процессе ее обработки между внешними и оперативными ЗУ . ^

Современные электромеханические ЗУ большой емкости с носи­ телем информации в виде движущейся поверхности, покрытой тон­ ким слоем магнитного материала, с магнитными головками для запи­ си и считывания сравнительно дешевы и компактны, способны хра­ нить записанную информацию в течение длительного времени. Так же как оперативные ЗУ , они позволяют многократно считывать ин­ формацию и производить запись новой информации на место ранее записанной. Однако по сравнению с оперативными ЗУ внешние ЗУ работают сравнительно медленно.

Объем информации, которую могут хранить современные элект­ ромеханические запоминающие устройства большой емкости, достига­ ет десятков миллионов и более байтов.

Эти устройства представляют собой сложный комплекс электро­ механических и электронных узлов, проектирование и изготовление которых требует большой технической и технологической культуры. Основными вопросами, от уровня решения которых зависят характе­ ристики внешних ЗУ , являются: разработка конструкции, выбор ма­ териала и технологии изготовления магнитного носителя, проекти­ рование магнитных головок, проектирование механизма поддержания зазора между головками и носителем, разработка электронных схем записи и считывания информации. Кроме того, возникает ряд специ­ фических проблем при конструировании отдельных видов внешних ЗУ.

В вычислительной технике используют электромеханические ЗУ большой емкости с носителем информации на магнитных лентах, ба­ рабанах, дисках и на магнитных картах. Каждый из этих типов ЗУ имеет ряд конструктивных модификаций. Вычислительная машина

записывают в виде двоичных кодов. Представление информации на магнитном носителе определяется рядом факторов: методом записи,

391

формации и считывание ее с носителя осуществляются через опера­ тивное запоминающее устройство (ОЗУ) вычислительной машины, то группировка на носителе двоичных знаков тесно связана с разме­ рами машинного слова. Машинные слова при записи на носитель раз­ биваются на слоги, а группы слов составляют блоки (зоны).

Запоминающие устройства на магнитной ленте относятся к уст­ ройствам с последовательным поиском информации. Действительно, чтобы прочитать информацию, записанную в некоторой зоне магнит­ ной ленты, оказывается необходимым последовательно считывать (без занесения в оперативную память) все зоны, отделяющие нужную зо­ ну от головок считывания.

Поиск нужной зоны на магнитной ленте может продолжаться несколько минут. Поэтому, используя в вычислительной системе лишь устройства с последовательными поиском информации, невозможно во многих случаях обрабатывать информацию с высокой производи­ тельностью, что особенно важно при обработке данных в натураль­ ном масштабе времени.

В связи с этим возникла необходимость в создании ЗУ доста­ точно большой емкости, но с произвольным обращением к информа­ ции *, чтобы время обращения практически не зависело от места рас­ положения нужной информации на носителе. Обычно в таких уст­ ройствах осуществляется непрерывное циклическое движение носи­ теля информации относительно блока считывания и записи. В вы­ числительной технике используются ЗУ с произвольным обращением к информации на магнитных барабанах и дисках. В таких устрой­ ствах время выборки любых данных не превышает 1 сек.

Основу процесса цифровой магнитной записи составляет взаи­ модействие движущегося магнитного носителя информации и магнит­ ных головок.

В качестве материала магнитного покрытия для лент применяют синтетическую пленку (подложку). Толщина подложки составляет 25—50 мк. Для покрытия барабанов и дисков наряду с ферролаком используются сплавы на основе никеля и кобальта, наносимые на подложку гальваническим путем. В качестве материала подложки для магнитного слоя в З У на дисках и барабанах обычно применяют медь. Для уменьшения веса диски изготавливают из алюминиевого сплава, на который наносят медную подложку. В ЗУ на дисках и барабанах толщина подложки колеблется от 25 до 100 мк.

Магнитное покрытие должно обладать однородностью магнит­ ных свойств. Количество деффектных участков магнитного покрытия должно быть минимальным. Электромагнитные свойства носителя оп­

* Употребляются также термины «со случайным порядком вы­ борки информации» или «с произвольным доступом».

392

ный носитель остается в насыщении после того, как магнитное поле удалено.

Магнитные головки представляют собой миниатюрные электро­ магниты, располагаемые у поверхности магнитного носителя с не­ большим зазором (бесконтактная запись) или без зазора (контакт­ ная запись). Сердечник магнитной головки изготавливается из мате­ риала с малой коэрцитивной силой и большим значением индукции насыщения.

Рис. 6-1. Принципы магнитной записи цифровой информации.

нитном носителе: / — дорожки; 2 — направление движения носителя.

Для запоминания двоичной информации используют два проти­ воположных состояния насыщения магнитного материала носителя, которые создаются положительными и .отрицательными импульсами или потенциальными сигналами в обмотке магнитной головки.

Рисунок 6-1 поясняет принцип магнитной записи цифровой ин­ формации. Чтобы записать на носитель кодовую комбинацию единиц и нулей, посылают в обмотку магнитной головки соответствующую последовательность положительных и отрицательных импульсов. В этом случае на носителе вдоль дорожки, проходящей под головкой, образуется последовательность элементарных магнитиков (магнит­ ных отпечатков), полярность которых будет чередоваться так же, как единицы и нули в записываемой кодовой комбинации.

Информация, записанная на поверхности носителя, считывается при помощи головок считывания. Головки записи и считывания име­ ют одинаковую конструкцию, а в ряде устройств одни и те же головки используются и для записи и для считывания (универсальные го­ ловки). При прохождении под головкой дорожки носителя с намаг­ ниченными участками образуемый ими магнитный поток шунтируется

393

головкой. Поток замыкается через магнитопровод головки и сцеп­ ляется с ее обмоткой При движении носителя сцепление потока с го­ ловкой изменяется и в обмотке головки возникают импульсы э. д. с., полярность (фаза) которых показывает, записана ли на данном участке дорожки единица или нуль (рис. 6-2).

Конструкция магнитных головок в значительной степени опреде­ ляет характеристики ЗУ. В режиме записи головка должна создавать

Для цифровой информации нет необходимости при считывании точно воспроизводить закон изменения входного сигнала при записи. Достаточно, чтобы выходной сигнал имел два четко различимых со­ стояния, соответствующих 1 и 0. Если цифровая запись производит­ ся изменением в головке направления тока, насыщающего носитель, то при считывании выходной сигнал будет иметь форму импульсов.

Цифровая информация записывается на магнитный носитель на нескольких параллельных дорожках, при этом каждая дорожка име­ ет свою головку записи-считывания или же головка (группа головок) перемещается на нужную дорожку (группу дорожек).

Цепь, включающую головку и усилитель записи, элементы фор­ мирования и коммутации записываемого сигнала, называют каналом записи. Соответственно канал считывания состоит из головки и уси­

394

лителя считывания, элементов формирования и коммутации считан­ ного сигнала.

При конструировании магнитных ЗУ большой емкости стремятся возможно полнее использовать поверхность носителя. Степень ис­ пользования носителя определяется плотностью записи информации, т. е. количеством двоичных единиц, приходящихся на единицу пло­ щади поверхности носителя (на 1 см2).

Рис. 6-3. Конструкция многодорожечной магнитной го­ ловки для контактной записи.

1 ,2 — корпуса полублоков; 3 — сердечник с обмоткой; 4 — про­ кладка рабочего (переднего) зазора; 5 — экран; 6 — сердечник; 7 — распаечная колодка; 8 — элементарная однодорожечная го­ ловка.

Плотность записи информации может быть выражена в виде

где бI — продольная плотность записи, равная количеству двоичных единиц, записываемых на единицу длины дорожки;

б? — поперечная плотность записи, равная числу дорожек, при­ ходящихся на единицу длины в направлении, перпендику­ лярном движению носителя.

Допустимая плотность записи зависит от характеристик магнит­ ного носителя, зазора между носителем и головкой, конструкции го­ ловки, способа записи информации и других факторов. Увеличения поперечной плотности записи можно достичь двумя путями — умень­ шением ширины дорожки или уменьшением расстояния между цент­ рами дорожек. Минимальная ширина дорожки ограничивается, с од­ ной стороны, технологическими трудностями обработки тонкого сер­ дечника для головок, а с другой — уменьшением отношения сиі?- нал/шум. При уменьшении расстояния между центрами дорожек

395

увеличиваются перекрестные электромагнитные наводки в головках и поэтому требуется очень тщательная экранировка элементарных головок друг от друга.

Наибольшую плотность удается получить при контактной запи­

ность — примерно 8

Рис. 6-4. Запоминающее устройство с магнитной лентой.

лище ленты; 9 — к схеме считывания; 10 — от схемы записи; / / — дат­ чик конца ленты; 12 — к схеме управления.

При контактной записи трение между магнитным носителем и головкой, вызывая их износ, ограничивает допустимую скорость движения носителя относительно головки. М ежду тем скорость но­ сителя влияет на такие важные характеристики ЗУ , как время об­ ращения и скорость передачи информации. Время обращения к ЗУ уменьшается с увеличением этой скорости. Скорость передачи ин­ формации ѵк для одной головки определяется числом двоичных еди­ ниц информации, считываемых (записываемых) головкой в секунду:

396

скоростью передачи информации путем значительного увеличений скорости движения носителя (до нескольких десятков метров в се­ кунду).

Бесконтактную запись широко применяют в устройствах с маг­ нитными барабанами, дисками и т. п. Для поддержания плотности на высоком уровне при бесконтактной записи стремятся работать с воз­ можно меньшим зазором. Однако этому препятствуют механические неточности изготовления барабанов и дисков (эксцентриситет, биение поверхности носителя), а также температурные деформации.

Зазор удается значительно уменьшить при использовании пла­ вающих головок. В этом случае головку укрепляют в подвижном башмаке, который прижимается к носителю. В клинообразном воз­ душном зазоре, образованном башмаком и движущейся поверх­ ностью носителя, возникают аэродинамические силы, препятствующие соприкосновению башмака (головок) с носителем. Устанавливается подвижное равновесное состояние, при котором зазор между голов­

образом контактный способ записи. Магнитная лента движется толь­ ко во время записи и считывания информации, в остальное время лента неподвижна.

Лента приводится в движение лентопротяжным механизмом. Скорость движения ленты 1 относительно головок 2 и 3 должна быть сравнительно постоянной, чтобы сохранялись постоянными плотность записи и амплитуда сигналов при считывании информации. Время пуска и остановки ленты должно быть минимальным с тем, чтобы можно было работать с короткими промежутками между зонами. В противном случае площадь носителя будет использоваться неэф­ фективно. В современных устройствах рабочая скорость движения ленты в режимах записи и считывания обычно составляет 1—4 м/сек, а время пуска, остановки и реверса не превышает нескольких мил­ лисекунд (обычно 5— 10 мсек).

Быстрый пуск, протягивание мимо головок, остановка и реверс ленты обеспечиваются стартстопным механизмом. Изображенный на рис. 6-4 стартстопный механизм состоит из двух непрерывно враща­ ющихся в противоположные стороны ведущих роликов 5, прижимных роликов 6 и устройства торможения ленты (на рисунке не показано). При пуске ленты освобождаются тормоз и в зависимости от нужного направления движения соответствующий прижимный ролик прижи­ мает ленту к своему ведущему валу, благодаря чему она начинает двигаться. При остановке ленты прижимный ролик отходит от ве­

ложенных по одной линии, поперечной направлению движения ленты.

397

Каждой головке соответствует расположенная под ней на ленте до­ рожка записи. При помощи блока головок одновременно записывает­ ся поперек ленты двоичный код, длина которого равна числу головок. Применяют универсальные и сдвоенные головки. В первом случае одни и те же головки используются для считывания и для записи, во втором имеются отдельные блоки головок записи и считывания, стоящие на небольшом расстоянии друг от друга по направлению движения ленты. В этом случае головки считывания используются также для контроля правильности записи строки путем ее считыва­ ния сразу после записи.

J

А .

ние информации на барабане; 1 — маркеры; 2—ну­

левая отметка; 3 — магнитные головки записи-счи­ тывания; 4 — дорожки с цифровой информацией.

Магнитный барабан (рис. 6-5) представляет собой вращающийся с постоянной скоростью металлический цилиндр, поверхность кото­ рого покрыта тонким слоем магнитного материала. Около поверхно­ сти цилиндра с небольшим зазором устанавливают магнитные го­ ловки для бесконтактной записи. Обычно одни и те же головки слу­ жат для записи и считывания. Информация записывается на поверх­ ности цилиндра вдоль дорожек, проходящих под головками. Сущест­ вует несколько систем расположения информации на поверхности ба­ рабана. В барабанах сравнительно небольшой емкости головки не­ подвижны, при этом часто применяется одновременная (параллель­ ная) запись всех разрядов машинного слова. При такой системе не­ обходимо иметь столько головок записи-считывания, сколько двоич­

на поверхности цилиндра информация, располагается вдоль образу­ ющей. Однако с целью получения большей поперечной плотности записи информации приходится сдвигать головки соседних дорожек с одной образующей или располагать их по винтовой линии. Соответ­ ственно сдвигаются относительно друг друга отдельные разряды записываемого слова.

Для обращения при записи или считывании к нужной ячейке ис­ пользуются отметки (маркеры), постоянно нанесенные путем намаг­

398

ничивания или механическим способом на специальную маркерную дорожку. Н а отдельной дорожке делается нулевая маркерная от­ метка.

В магнитных барабанах головки могут быть неподвижными для обслуживания определенных дорожек записи или же подвижными, автоматически перемещаемыми специальным приспособлением на нужные дорожки. Подвижные головки применяют в барабанах боль­ шой емкости для уменьшения общего числа головок и со­ кращения объема электронного оборудования ЗУ .

шой точностью преобразует цифровой код номера дорожки в соот­ ветствующее перемещение суппорта с рычагами вдоль радиуса дис­ ков. В результате перемещения головка попадает на нужную кон­ центрическую дорожку. В плавающем башмаке укреплены одна

и конструктивного исполнения являются наиболее распространенны­ ми и совершенными запоминающими устройствами с произвольным обращением к информации. Это объясняется тем, что по сравнению с магнитным барабаном устройство с магнитными дисками в том же

399