Контрольные вопросы к главе 6

1. Назовите принципы записи-чтения с магнитных носителей ВЗУ.

2.Во сколько раз может превосходить сила внутреннего магнитного поля ферромагнетиков силу вызвавшего его внешнего поля?

3.Назовите параметр, по которому различаются магнитные материалы магнитного носителя и сердечника магнитной головки в НМН.

4.Почему сердечник магнитной головки и ее экран выполняются из спрессованных холоднокатаных лент?

5.Назовите два типа покрытий магнитных носителей.

6.Чем в основном ограничивается поверхностная плотность записи на магнитном носителе?

7.Перечислите способы увеличения величины считанного магнитной головкой сигнала.

8.Назовите три типа намагниченности носителя.

9.В чем отличие методов записи на МН по двум уровням от записи по трем уровням?

10. В чем отличие импульсного и потенциального (БВНИ - NRZI) методов записи на магнитный носитель? 11. Чем различаются метод частотной модуляции (FM) и модифицированной ЧМ (MFM) записи на МН от метода RLL кодирования

12. В чем состоит форматирование МН?

13. Назовите основную операционную единицу магнитного диска.

14. Когда и чем определяются размер и количество секторов, дорожек гибкого МД?

15. С помощью какого функционального узла проводится разделение считанных с МН импульсов данных и синхронизации?

16. Назовите пять основных компонентов накопителя на гибких МД. Сколько существует типов НГМД для ПК типа IBM PC?

17. Поясните термин “туннельное стирание”.

18. Какие проблемы вызывает различная плотность записи дисководов НГМД разных типов? 19. Назовите функции контроллера НГМД.

20. Перечислите основные функциональные узлы контроллера.

21. На какие три фазы разбивается процесс выполнения команд, реализуемых контроллером?

22.Назовите два режима выполнения полученной команды и чем они различаются.

23.Назовите максимальное значение емкости ГМД.

24.Назовите максимальное значение емкости накопителей на жестких МД типа винчестер.

25.Из чего складывается время произвольного доступа НЖМД?

26.С какой целью в НЖМД применяется чередование нумерации секторов (INTERLIVE)?

27.Во сколько раз плотность записи на ЖМД превышает плотность на ГМД?

28.Какая информация записывается на сервоповерхности (DSS) пакета ЖМД?

29.Назовите назначение и состав электронных схем интерфейсной платы НЖМД.

30.Сколько периферийных устройств может быть подключено с помощью интерфейса малых компьютерных систем типа SCSI?

31.Для чего применяется HOST-адаптер?

32.Назовите причины, по которым контроллеры НЖМД сложнее контроллеров НГМД.

33.Назовите какой либо тип универсального контроллера для НЖМД типа винчестер и НГМД.

34.В чем состоит основное отличие конструкции НЖМД типа винчестер и накопителей на сменных МД?

35.Поясните понятие “цилиндр” НЖМД.

36.За счет чего продольная плотность записи на магнитной ленте ниже, чем на МД?

37.Из чего складывается время цикла обращения НМЛ?

38.Назовите три типа конструкции лентопротяжного механизма НМЛ.

39.В чем основное отличие конструкций НМЛ и кассетного НМЛ ?

40.Какие функции выполняет контроллер НМЛ?

41. В чем отличие устройств подготовки данных на МН и считывающих устройств от НМН?

Глава 7. ОПТИЧЕСКИЕ И МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ВЗУ

7.1. Лазерные системы и их применение в устройствах внешней памяти

Современные электромеханические магнитные внешние ЗУ достигли высоких техни- ко-экономических показателей, однако дальнейшее их совершенствование, диктуемое непрерывным развитием ЭВС, становится все труднее, так как рост основных характеристик электромеханических ЗУ достиг предела. В связи с этим ведутся интенсивные поиски и совершенствование методов и средств записи и хранения информации. Среди новых методов выделяются оптический и магнитный немеханический, основанный на применении материалов, содержащих цилиндрические магнитные домены (ЦМД).Как правило, способы записи и чтения информации являются либо чисто магнитными(накопители на магнитных дисках, лентах), либо чисто оптическими (WORM-накопители, от write once read mani). Магнито-оптические накопители объединяют в себе эти два способа.

Оптические внешние ЗУ имеют очень высокую плотность записи информации, на несколько порядков большую плотности магнитных ВЗУ, так как для регистрации одного бита достаточно участка на носителе с размерами порядка длины волны излучаемого лазером света(порядка 0,5 мкм). Этот тип внешних ЗУ имеет также высокое быстродействие и надежность, что делает его наиболее реальным претендентом для полной замены традиционных магнитных электромеханических устройств памяти объемом от 10 Гбайт и выше. Однако в оптических накопителях трудно решается проблема перезаписи информации. Кроме того, стоимость на бит хранимой информации пока еще велика по сравнению с НМН.

Как запись на оптический носитель - оптический диск, так и воспроизведение с него,

осуществляются лазерным лучем. Лазеры (от light amplification by stimulated emission of radiation) способны генерировать и усиливать электромагнитные колебания в диапазонах 0,4 мм ...0,78 мкм (инфракрасная часть оптического спектра, это мазеры), 0,78 ...0,38 мкм (волны видимого света) и 0,38...2 нм (ультрафиолетовая часть спектра). Название “мазеры” произошло от microwave amplification by stimulated emission of radiation.

Лазеры, иначе называемые оптическими квантовыми генераторами, были разработаны под руководством академика Н.Г. Басова в 50-х годах. Квантовыми генераторы называются потому, что описываются законами квантовой механики, изучающей движения частиц макромира. Это кристаллы, молекулы, атомы, ядра - элементарные частицы, размеры которых лежат в пределах от 1 до 500 нанометров , а скорость движения гораздо ниже скорости света. В основе законов квантовой механики лежат представления Планка о квантах энергии и законы Эйнштейна о фотонах, согласно которым энергия активного вещества лазера может принимать лишь определенные дискретные (квантованные) значения, отличающиеся на целое число квантов энергии.

Активное вещество представляет собой среду из элементарных частиц, способных быть излучателями электромагнитной энергии (рис. 7.1).

Длина волны зависит от типа активного вещества и разности энергий рабочих энергетических уровней его электронов. Это - квантовая система, находящаяся в стационарном состоянии с наименьшей энергией. При воздействии на систему электромагнитным полем

возбудителя она переходит на более высокий уровень энергии. С этого уровня квантовая система может вернуться на исходный уровень, затем вновь на высокий и так далее. Таким образом можно получить излучение большого числа атомов за малый промежуток времени, чем и обуславливается высокая плотность энергии излучения лазера.

Активное вещество Резонатор

Узел положительной Усилитель обратной связи

обратной связи

Рис. 7.1. Структурная схема оптического квантового генератора

За счет многократного отражения в системе двух параллельных зеркальных пластин резонатора излучение обладает узкой направленностью, поляризацией, а также когерентностью. Когерентные волны характеризуются независимостью от времени разности их фаз, то есть когерентные волны это монохроматические волны с одинаковой фазой.

Положительная обратная связь поддерживает непрерывность перехода частиц активного вещества с нижнего энергетического уровня на верхний, чем обеспечивается непрерывная генерация излучения.

В лазерах применяются активные вещества двух типов: кристаллические и полупроводниковые. В качестве кристаллических веществ используются кристаллы рубина, стекло со специальными примесями, кристаллы галоидных соединений, соли вольфрама и молибденовых кислот и другие кристаллы. Диапазон волн кристаллических лазеров от 600 до 2000 нанометров. Требования к допускам на размеры кристаллов очень жесткие, например, отклонения от параллельности торцевых поверхностей не более 3”; отклонения по длине не более 0,13 мм, по диаметру 0,025 мм; ориентация оси кристалла - в пределах 10”. Изготовление, полировка кристаллических активных веществ лазеров сложны и дорогостоящи.

Вполупроводниковых лазерах используется p-n переход между двумя полупроводниками. При подключении к такому узлу источника постоянного напряжения электроны материала полупроводника переходят в зону проводимости, затем, рекомбинируя с дырками, излучают кванты света. Происходит инжекция (“впрыскивание”) электронов через полупроводниковый слой. Излучение таких лазеров происходит на волне 842 нм. Активные вещества - арсенид галлия, кремний с примесями индия, фосфид галлия.

Токопотребление лазеров, нашедших применение в оптических головках накопителей на оптических и магнитооптических дисках а также в голографических внешних устройствах, небольшое, порядка нескольких милливатт.

7.2.Оптические диски

В80-х годах на смену виниловым музыкальным дискам пришли оптические компактдиски (CD) , примерно в это же время появились первые персональные компьютеры фирмы IBM. Компакт-диски явились результатом сотрудничества двух фирм - японской Sony и голландской Philips. CD был рассчитан на 74 минуты звучания, что соответствует 640 Мбайт при диаметре 120 мм; это эквивалентно 444-м дискетам высокой плотности записи. Разра-

ботанные для высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуры, CD прочно вошли и на рынок компьютерных устройств благодаря малым размерам, большой емкости, высоким надежности и долговечности. Недостатком CD-ROM (compact disk read onli memori) является то, что на них невозможно записывать информацию непосредственно с ЭВМ. Проблема была решена позже, созданием нереверсивных WORM (write once read many) оптических и реверсивных, стираемых магнитооптических дисков.

Цифровой оптический диск состоит из рабочего (регистрирующего, информационного) слоя, на который наносится информационная сигналограмма в виде определенных чередований его состояний, и основы , на которой находится этот рабочий слой. Изменение состояния рабочего слоя состоит в изменении его оптических характеристик. На рис. 7.2 показана конструкция двухстороннего компакт-диска фирмы Philips, в котором две прозрачные основы с рабочими слоями соединены вместе и образуют замкнутое пространство для рабочих слоев. Имеются отражающий зеркальный слой и воздушный промежуток . Подложка выполнена из пластика. В качестве материала рабочего слоя применяются теллур и его сплавы, сплав селена, индия, меди, алюминия, никеля и цинка. Эти материалы имеют высокую чувствительность к воздействию лазерного луча, их применение обеспечивает высокую разрешающую способность CD, чему способствует их низкая теплопроводность. В конструкции некоторых типов CD присутствуют и вспомогательные подслои, предназначенные для увеличения эффективности рабочего слоя.

Воздушный

промежуток

Рис. 7.2. Конструкция двустороннего оптического диска

Процессы в CD при записи и воспроизведении информации базируются на явлениях, связанных с использованием световых лучей и являющихся предметом изучения геометрической и волновой оптики. С позиций геометрической оптики, основывающейся на представлении о прямолинейном распространении света в однородной среде, здесь существенны явления отражения, поглощения, пропускания и преломления света, а с позиций волновой оптики - явления интерференции, дифракции и поляризации света. При этом используются преобразования свойств материала рабочего слоя CD, изменения его фазового состояния.

Структура и состав рабочего слоя определяются технологией записи информации и влияют на разрешающую способность CD. Для CD с однократной записью (CD-ROM и WORM) наиболее часто применяются три типа технологии записи (рис.7.3):

•удаление участка рабочего слоя при нагреве его лазерным лучом (абляция),

•образование вспучивания рабочего слоя путем создания под ним газового пузырька,

•изменение фазового состояния участка бита информации, приводящее к изменениям оптических констант: коэффициента преломления либо коэффициента поглощения.

Рабочий

слой

Основа

а)

б)

в)

г)

Рис. 7.3. Виды дискретной записи на оптических дисках: а) мелкая “яма” в рабочем окне; б) глубокая яма с захватом подслоя; в) образование пузырька; г) реверсивная запись с изменением фазового состояния и оптических компонент

Рис. 7.4. Временные диаграммы записи на оптический диск

Последний тип технологии позволяет многократно перезаписывать информацию и наряду с магнитооптическим методом используется для создания реверсивных (стираемых) дисков. Известны также разработки по использованию цвета рабочего слоя.

Если основа прозрачна и достаточно однородна, оптическая запись и считывание информации могут вестись через основу. При этом основа используется в качестве защитного слоя. При использовании прозрачных основ возможна реализация записи, считывания на основе модуляции коэффициента отражения или пропускания. Первый путь проще конструктивно и поэтому более распространен.

Информация на CD расположена по дорожке, представляющей собой пунктир из меток записи (рис.7.4). Метки являются областями, имеющими контраст с окружающей их зеркальной поверхностью диска. Оптическая головка накопителя преобразует изменения отражения луча в электрический сигнал.

Высокая плотность записи информации достигается с помощью оптических средств, представляющих собой оптический сканирующий микроскоп со средним увеличением. Предел плотности записи обусловлен дифракцией света, которая определяет минимальный

- числовая апертура фокусируемого пучка. Отсюда получается плотность записи информации, равная NA/λ , что соответствует емкости диска от 100 Мбайт до 10 Гбайт. В настоящее время лазеры оптических головок излучают свет с длиной волны 980 нм (красный свет). Исследователи из четырех университетов Австралии работают над созданием устройства, которое позволит на типовом компакт-диске хранить информацию в 4 раза большего объема благодаря переходу на лазер с длиной волны 520 нм (зелено-голубой свет).

Другим достоинством накопителей на оптических дисках является отсутствие механического контакта оптической головки с поверхностью диска.

По формату дорожек диски делятся на диски с концентрическими дорожками и со спиралевидными. Диски с концентрическими дорожками менее дорогие, но время доступа велико, так как головка чтения\записи должна перемещаться с одной дорожки на другую. Спиралевидные дорожки не разрывают длинные файлы, но механизм позиционирования головки сложнее и дороже.

Технология изготовления CD-ROM напоминает технологию изготовления граммпластинок: вначале создается диск-оригинал, состоящий из массивной стеклянной основы с нанесенным на нее регистрирующим слоем, запись информации на который ведется посредством прецизионной и сложной аппаратуры в помещении с высокой степенью чистоты воздуха. Полученный путем лазерной записи на рабочем слое диска-оригинала рельеф переносится на металлическую матрицу, которая затем непосредственно используется при массовом изготовлении CD с пластмассовой основой для создания информационной рельефной сигналограммы на его рабочей поверхности . При этом не всегда достигается хорошее качество.

Для самого распространенного и наиболее простого способа записи, каким является абляционный способ, рабочий слой CD может быть выполнен так, что в результате образования отверстия в нем при записи возможно как увеличение, так и уменьшение коэффициента отражения в этом отверстии по сравнению с остальной площадью диска. Для создания канавок на основах из неорганического стекла применяют либо непосредственное травление канавок в стекле после нанесения маски на основу, либо травление канавок в защитном слое, нанесенном на его основу. Последнее выполняется посредством лазерного луча и последующего реактивного ионного травления этого слоя.

Cпособ однократной записи, основанный на создании пузырьков на рабочем слое при записи информации, используется в дисках, в которых рабочий слой состоит из двух подслоев, основного и вспомогательного. При записи лазерный луч разогревает участок диска, вспомогательный слой этого участка испаряется, давит на основной подслой, приводя к образованию на нем пузырька. При считывании луч, отраженный от пузырька, рассеивается и воспроизводящая головка воспринимает свет, интенсивность которого меньше по сравнению со светом, отраженным от ровной поверхности CD. Основной подслой в этом случае изготавливается обычно из металла с высокой температурой плавления - алюминия, титана. Температура плавления вспомогательного подслоя, размещенного под основным подслоем, намного ниже температуры плавления основного подслоя.

В оптических дисках реализуется цифровая запись, при которой сигналограмма, записанная на носителе, представляет собой последовательность дискретных элементов, разделенных промежутками в соответствии с принятым способом кодирования. В зависимости от способа записи, потенциального или импульсного, такими элементами являются переход или перепад состояния носителя для потенциальной записи и пара смежных переходов с разным знаком наклона края отверстия. Одному элементу сигнала соответствует обычно символ “1” в записываемой кодированной последовательности символов “1” и “0”. На рис. 7.4 показано представление записываемой кодовой последовательности в виде сигналов записи и сигналограмм при потенциальной записи.

Рис. 7.6. Состав информации на дорожке оптического диска

Преимуществами CD-ROM являются: сходство со звуковыми CD; упрощение распространения больших объемов информации, стоящего дешевле, чем распространение посредством печатной машины; это более надежное средство для хранения информации, чем остальные, вследствие неуязвимости по отношению к электромагнитным и механическим повреждениям; CD снабжены легкой тонкой упаковкой и действительно компактны, что облегчает их транспортировку и распространение.

К недостаткам CD-ROM относятся: невозможность обновления информации; высокая стоимость изготовления оригинальных дисков; длительность процесса изготовления оригинала и копирования, занимающего несколько дней; большое время доступа для большинства типов CD-ROM, в среднем достигающее 400 мкс, тогда как у винчестера время доступа равно от 8 до 30 мкс.

WORM диски, известные как диски с записью, хранят данные для компьютеров, они идеальны для архивов и тиражирования. WORM диски подразделяются на диски типа ПСВ (с постоянной скоростью вращения) и типа ПЛС ( с постоянной линейной скоростью). У ПСВ дисков по краям дорожки длиннее и информация записывается плотнее, к центру дорожки короче и частоту записи снижают. У ПЛС дисков скорость вращения уменьшают при записи по краям и увеличивают при записи ближе к центру.

Компактдиск, записанный самостоятельно, работает так же, как и серийные отштампованные диски, поэтому он может быть прочитан на любом дисководе CD-ROM. Конструкция оптической головки, предназначенной для записи и считывания WORM дисков, приведена на рис.7.7.

Наиболее распространены компакт-диски диаметром 119 мм (4,7 дюймов) . На однократно записываемом диске такого диаметра располагается 550 либо 680 Мбайт. Производятся так же диски диаметром 80 мм емкостью 200 Мбайт, но они пока поддерживаются не всеми устройствами записи CD-ROM. Размеры WORM дисков такие же, как и у магнитных дисков, наиболее распространенный - 133 мм (5,25 дюйма), 203 мм (8 дюймов), 305 мм (12 дюймов) и 356 мм (14 дюймов).

Устройства записи работают в трех режимах. В односеансном режиме запись всего диска должна осуществляться за один проход без перерывов. Многосеансный режим позволяет записывать данные за несколько сеансов, в результате чего информация на диске представляется в виде отдельных томов, напоминающих логические разделы жесткого диска. Не все накопители CD-ROM способны читать диски, записанные подобным образом. И, наконец, инкрементный режим позволяет записать часть данных, остановиться, а затем продолжить запись. Это удобно, но CD-ROM не сможет прочитать диск до тех пор, пока не будет записана последняя часть диска и завершен сеанс записи.

Светочувствительными материалами для нереверсивных записей являются пленки металлов, аморфных соединений, полупроводниковых и органических соединений. Запись осуществляется в импульсном режиме. Средняя мощность записи 5 - 10 мВт, длительность импульса 10 - 100 мс. В режиме считывания энергия луча снижается с тем, чтобы не изменялось состояние носителя.