8.5 Накопители на магнитных дисках

В настоящее время невозможно представить компьютер, не оборудованный накопителем на жестких магнитных дисках (НЖМД). Жесткие магнитные диски (ЖМД) позволяют хранить огромные объемы информации и обеспечивают к ней сравнительно быстрый доступ. Однако для непосредственного использования хранимой на диске информации ее вначале необходимо переписать в оперативную память. Вся «пользовательская» информация на диске хранится в виде секторов, или блоков размером по 512 или по 2048 байт. Чтобы переписать нужную информацию с диска в ОЗУ, находят соответствующий сектор на диске, а затем организуют его чтение.

НМЖД принято характеризовать:

• емкостью, т.е. количеством хранимой информации (емкость современных накопителей составляет 40 – 180 Гбайт),

• пропускной способностью или скоростью записи и считывания,

• временем доступа, т.е. интервалом времени от момента запроса до момента выдачи запрашиваемой информации.

НЖМД называют накопителями с прямым доступом. Время на поиск нужного сектора определяется длительностью перемещения магнитной головки (МГ) на нужную дорожку и скоростью вращения диска.

Одной из важнейших характеристик НЖМД, обычно скрытых от пользователя, служит информационная плотность записи, под которой понимают число бит, записанных на единице поверхности диска. Различают продольную плотность, т.е. число бит, записанных на одном миллиметре длины диска вдоль вектора скорости, и поперечную плотность, т.е. число информационных дорожек на одном миллиметре вдоль радиуса диска. Плотность записи определяет размеры накопителя, его быстродействие, а также объемы его памяти. В свою очередь плотность записи зависит от принципов регистрации информации, а также от материалов, конструкции и технологии изготовления диска и головки.

Принцип магнитной записи.

Слой магнитного носителя, в котором хранится информация, выполняется из магнитотвердого материала с большими значениями коэрцитивной силы и остаточной индукции. Запись и считывание информации осуществляется посредством «магнитной головки», т.е. электромагнита, располагаемого над поверхностью носителя. Магнитная головка выполняется из магнитомягкого материала, чтобы при отсутствии тока с ней она не влияла на магнитный носитель.

Материал магнитного покрытия можно представить в виде хаотически расположенных доменов, ориентация которых изменяется под действием создаваемого головкой внешнего магнитного поля. При записи протекающий по обмотке МГ ток создает магнитный поток. Этот магнитный поток приводит к определенной ориентации магнитных доменов, оказавшихся под МГ. Домены ориентируются в одном из двух направлений в зависимости от направления тока в головке.

[В настоящее время используют горизонтальную и вертикальную запись: при наиболее распространенной горизонтальной записи ориентация доменов производится в плоскости носителя (влево и вправо), при вертикальной – перпендикулярно плоскости носителя (вверх или вниз). Для реализации вертикальной записи необходима более сложные МГ и конструкция самого носителя.]

Изменение направления тока приводит к изменению направления ориентации доменов. При чтении головка позволяет определить моменты времени, когда под ней при движении носителя оказываются границы между участками носителя с противоположными состояниями намагниченности. Наводимая в головке ЭДС пропорциональна скорости изменения потока:

U = -k dФ/dt,

т.е. появление в обмотке головки импульса напряжения происходит тогда, когда под ней перемещается участок носителя с границей между состояниями намагниченности. Эту границу называют также отпечатком или переходом.

Соответствие отпечатков и записанных значений «0» и «1» принято называть способом записи. Способ записи должен обеспечивать высокую плотность, помехоустойчивость, достоверность, и также возможность построения трактов записи и воспроизведения. Поскольку носитель может находиться всего в одном из двух состояний (он намагничен в ту или другую сторону), а для записи двоичного числа необходимо три состояния («0», «1» и пробел), то переходы не могут прямо соответствовать нулю и единице исходной последовательности.

Существует несколько способов записи: без возвращения к нулю, частотной, фазовой модуляции, группового кодирования и ряд других. Но в настоящее время для записи информации на ЖМД чаще всего используют метод RLL 2,7, а для записи на ГМД – частотной модуляции.

Прежде, чем остановиться на наиболее распространенных методах записи, дадим некоторые определения. Аппаратные средства, позволяющие записывать на носитель в соответствии с выбранным способом записи или восстанавливать двоичную информацию, принято называть трактом, или каналом записи и воспроизведения. Основные компоненты тракта записи – это головки, усилители, детекторы информационных и синхронизирующих сигналов и схемы управления записью и воспроизведением.

Частотная модуляция (ЧМ) – это разновидность записи с самосинхронизацией. Запись «1» выполняется изменением направления тока внутри тактового промежутка, а начало каждого тактового промежутка отмечается сменой направления намагниченности. При записи «0» направление тока записи, и, следовательно, состояние носителя не меняются. Сигнал, считываемый МГ при смене направления намагниченности, служит для синхронизации. Таким образом, при записи единиц частота переключения потока удваивается, а при записи нулей остается неизменной. Пример регистрации на носителе числа 111010001 приведен на рисунке 8.х.

Рисунок 8.х Запись и воспроизведение информации на магнитном носителе

При чтении записанной информации границы тактовых промежутков восстанавливаются. Если в рамках восстановленного такта с МГ чтения получен импульс, то это соответствует «1», а если импульс в этом такте отсутствует, то это соответствует «0». При записи ЧМ необходима предварительная настройка логических схем тракта воспроизведения.

При записи способом ЧМ требуется довольно высокая стабильность скорости перемещения носителя, т.к. соответствующие единицам отпечатки должны располагаться строго посередине такового интервала. Кроме того, поскольку в каждом такте записи остается один (при записи нуля) или два (при записи единицы) отпечатка, то плотность записи не может быть очень большой. Для записи на ЖМД используют другие способы, однако, требующие более сложных схем записи и воспроизведения.

Одним из таких способов является способ модифицированной фазовой модуляции (МФМ). Процесс записи и воспроизведения иллюстрируется на рисунке 8.х. При записи «1» направление тока в головке записи меняется на противоположное в моменты, соответствующие началам тактовых интервалов Т. Запись «0» производится изменением тока в головке записи в моменты, соответствующие серединам тактовых интервалов, т.е. направление изменения намагниченности значения не имеет. Таким образом, при записи числовой последовательности остаются отпечатки на расстоянии Т, 1,5Т и 0,5Т

Чтобы избежать расположения отпечатков на расстоянии 0,5Т друг от друга, переключение тока МГ при записи 0, непосредственно предшествующего 1, не производится. Тогда расстояния между отпечатками на носителе соответствует трем интервалам: Т, 1,5Т и 2Т.

При воспроизведении, если тракт «настроен» на начало тактового интервала и выделен интервал Т (обнаружен импульс в начале такта), то текущему биту приписывается значение «1». Если выделен интервал 1,5Т – то текущий бит равен «0», а схемы тракта перестраиваются на середину такового интервала, и если выделен интервал 2Т – то формируется сразу последовательность из двух бит «01». Если схемы «настроены» на середину такта, то интервал Т соответствует «0», если выделен интервал в 1,5Т, то формируется значение сразу двух бит «01», а схемы перестраиваются на начало тактового интервала.

Способ МФМ, иногда называемый групповым кодом 1,3, позволяет записывать информацию с более высокой плотностью, а, следовательно, более экономно использовать дисковую поверхность. При высокой стабильности скорости перемещения носителя можно еще больше увеличить плотность, если не оставлять отпечатки нескольких следующих один за другим нулей. При воспроизведении число нулей определяется длительностью интервала между отпечатками, которые соответствуют единицам. Так формируется код RLL 2,7.

Для повышения достоверности данных записываемая на носитель информация кодируется с помощью корректирующего кода. Затем этот код записывается на носитель тем или иным способом. При воспроизведении вначале восстанавливается корректирующий код и лишь затем исходный.