устройствА внешней памяти. НАКОПИТЕЛИ НА МАГНИТНЫХ ДИСКАХ

1. 
   Основные характеристики и способы записи информации
   
   1. 
      Внешние характеристики устройств внешней памяти
      

Система внешней памяти имеет два уровня - собственно внешнюю и архивную память. В состав системы внешней памяти входят ВЗУ (их часто называют накопителями), контроллеры ВЗУ, а также носители информации.

Внешняя память не имеет адресной организации; кванты информации в ней отличаются от квантов ЦП и непосредственно недоступны для обработки в ЦП. Для обработки информация из внешней памяти должна быть загружена в основную память.

В качестве ВЗУ используются накопители с подвижным носителем, среди которых наиболее распространены накопители на магнитных дисках (НМД), оптических дисках (НОД), магнитных лентах и накопители с неподвижным носителем - ВЗУ на основе цилиндрических магнитных доменов.

Информация во ВЗУ может располагаться в виде линейной последовательности блоков либо в виде двумерного массива. В этой связи различают накопители с последовательным доступом (НМЛ) и накопители с прямым доступом.

ВЗУ принято характеризовать следующими параметрами:

1. 
   Время доступа AT (Access Time) [мс]:
   
   1. 
      дисковод с шаговым двигателем имеет AT=65-100мс для перехода с одной дорожки на другую, (1983 г.);
      
   2. 
      с линейным двигателем имеет AT=30-40мс (1983 г.).
      

В наиболее быстродействующих на сегодня системах AT=0.5-2 мс (CD-ROM до 200 мс).

2. 
   Внутренняя скорость передачи данных (internal transfer rate) между носителем и буферной памятью контроллера задает физический предел производительности накопителя. Эта скорость выражается в разных величинах, если указывается в мегабитах в секунду(Mb/s), то сюда кроме пользовательских данных входят и «накладные расходы» - биты служебных полей. У самых высокоскоростных винчестеров (с частотой вращения 15000 об/мин) этот параметр приближается к 900 Mbit/s. При выражении скорости в MB/s подразумеваются только байты пользовательских данных, поэтому пересчет в MBit/s простым умножением на 8 неправомочен. У современных винчестеров с частотой вращения 5400 об/мин скорость составляет (15-25)MB/s, с частотой вращения 7200 об/мин - (30-60) MB/s. Для каждой модели обычно указывают минимальное и максимальное значения скорости, соответствующее внутренним и внешним трекам (вспомним о зонном формате).
   
3. 
   Внешняя скорость передачи данных DTR (Data Transfer Rate):
   
   1. 
      ST 506/412 = 5 MBit/s , в первых винчестерах;
      
   2. 
      SCSI = 1.5 MB/s в асинхронном режиме, 3-4 MB/s в синхронном режиме для первых версий;
      
   3. 
      новые интерфейсы SCSI до 40, 80, 160 и даже 320 MB/s и выше;
      
   4. 
      для интерфейса АТА в режиме PIO Mode 0 скорость составляет 3.3 MB/s, в режиме PIO Mode (4 - 16.6) MB/s, в режиме Ultra DMA (33,66,100,133) MB/s;
      
   5. 
      CD-ROM дисковод с одиночной скоростью имеет скорость обмена 150 KB/s (домашний проигрыватель), с удвоенной скоростью - 300KB/s и т.д.
      
4. 
   Емкость памяти
   

Максимальная емкость 5,25-дюймовых накопителей увеличилась от 5 и 10 Мбайт (1982 г.) до 300 Гбайт и более для 3,5-дюймовых накопителей половинной высоты (Maxtor MaXLine II). Емкость 2,5-дюймовых дисководов с высотой не более 12,5 мм, которые используются в портативных компьютерах, выросла до 80 Гбайт (Hitachi Travelstar 80GN).

2. 
   Внутренние характеристики устройств внешней памяти
   

Перечисленные параметры являются «внешними» характеристиками ВЗУ, которые интересуют пользователя. Эти внешние характеристики определяются внутренними, среди которых наиболее важной является информационная плотность записи. Под плотностью записи понимают число бит информации, записанных на единице поверхности носителя; это поверхностная плотность записи. Различают также продольную плотность (бит/мм), т.е. число бит на единице длины носителя вдоль вектора скорости его перемещения и поперечную плотность (бит/мм), т.е. число бит на единице длины носителя в направлении перпендикулярном вектору скорости

.

Плотность записи определяет геометрические размеры накопителя, параметры его быстродействия, а также объем памяти. В свою очередь, информационная плотность записи определяется принципами регистрации информации на носителе, материалами, конструктивными особенностями и технологией изготовления как носителя, так и средств записи-считывания.

2. 
   Физические основы регистрации информации на подвижном носителе
   

Наиболее распространенными способами регистрации информации на ВЗУ является магнитная и оптическая запись на поверхности подвижного носителя и запись информации в МД-структурах.

• 
  Основы магнитной записи.
  

Запись и считывание информации происходят в процессе взаимодействия магнитного покрытия, т.е. «поверхности носителя» и магнитной головки (МГ). МГ представляет собой электромагнит, сердечник которого выполнен из магнитомягкого материала, обладающего малой коэрцитивной силой и большим значением индукции насыщения, и токовых обмоток. Слой носителя, в котором происходит непосредственная регистрация информации и ее хранение, выполняется из магнитотвердого материала со сравнительно большими значениями коэрцитивной силы и остаточной индукции (Hc=12000-80000А/м, Bm=0,1-0,6Тл).

Материал магнитного покрытия носителя можно представить в виде множества хаотически расположенных магнитных доменов, ориентация которых изменяется под действием внешнего магнитного поля. ВЗУ используют для записи информации два противоположных состояния намагниченности. Домены материала образуют более крупные единицы участков поверхности - магнитные биты (или магнитные триггеры - МТ), которые более устойчивы к магнитным помехам и поэтому способны надежно сохранять свое состояние намагниченности.

Размер МТ есть произведение его ширины на длину. Ширина МТ равна ширине дорожки (ширине головки). Между дорожками имеется интервал, чтобы исключить влияние соседних дорожек, поэтому эффективная ширина бита равна расстоянию между дорожками.

На минимальную длину магнитного триггера (бита) влияют следующие факторы:

1. 
   Имеется некоторый предел того, как близко можно размещать переходы магнитного поля вдоль дорожки из-за сил отталкивания.
   
2. 
   Размер зазора сердечника головки. Обычно длина триггера делается равной ширине зазора (как минимум). Если меньше, то можно перемагнитить соседний триггер, что недопустимо.
   
3. 
   Характер магнитного материала поверхности:
   
   1. 
      оксидное покрытие - совокупность частиц магнитного материала, находящихся в связующем веществе,
      
   2. 
      металлическое покрытие - осажденная пленка чистого магнитного материала.
      

Наряду с минимальной длиной магнитного триггера вторым критическим параметром оказывается порог силы магнитного поля, необходимого для намагничивания поверхностного покрытия (коэрцитивная сила). Минимальный размер участков МТ делается все меньше, что позволяет упаковать больше битов. Коэрцитивная сила повышается, что позволяет образовать на поверхности устойчивые магнитные участки.

Современные ВЗУ используют для записи информации два противоположных состояния намагниченности. МТ ориентируются вдоль силовых линий внешнего магнитного поля и, благодаря высокому значению коэрцитивной силы материала, сохраняют полученную ориентацию в течение длительного времени после окончания действия магнитного поля.

Внешнее магнитное поле создается магнитной головкой при записи. Если поле МГ ориентирует МТ в плоскости носителя, то запись называется горизонтальной (рис. 4.1б в), если поле МГ ориентирует МТ перпендикулярно плоскости носителя, то - вертикальной (рис.4.1г, д).

а б в г д

Рис. 4.1. Горизонтальная и вертикальная записи на магнитной поверхности

Из двух методов записи сейчас наиболее распространена горизонтальная запись. Поскольку каждый из методов записи может использовать лишь два состояния намагниченности покрытия, то для регистрации информации особое значение приобретают переходы от одного состояния к противоположному состоянию. Этот переход является «отпечатком», который может быть обнаружен с помощью МГ чтения.

• 
  Горизонтальная магнитная запись
  

МГ записи представляет собой магнитопровод из магнитомягкого материала с зазором. На этом магнитопроводе размещается обмотка, в которую подается ток записи Iw, как показано на рис. 4.2а.

а) б)

Рис. 4.2. Горизонтальная магнитная запись

При протекании тока Iw по обмотке МГ в магнитопроводе создается магнитный поток, который замыкается через зазор “g”. Поскольку магнитное сопротивление зазора “g” велико, то поток частично замыкается через магнитный слой носителя толщиной “s” , отстоящий от зазора головки на расстоянии “d”. Этот боковой магнитный поток МГ приводит к изменению ориентации доменов (и МТ) в запоминающем слое. Ориентация МТ будет изменяться на противоположную при изменении направления тока в обмотке записи.

На рис. 4.2б показано воздействие тока на различные участки носителя при его движении. При равномерном движении сохраняется пропорциональная зависимость между временем протекания тока в МГ и перемещением носителя. В результате в магнитном слое остаются отпечатки в тех местах носителя, которые находились под МГ записи в моменты переключения тока Iw. Каждый такой отпечаток соответствует переходу (границе) между участками носителя с противоположными состояниями намагниченности. Количество переходов, которые могут быть размещены на единице площади носителя, называют физической плотностью записи. Предельное значение физической плотности записи зависит от метода магнитной записи (вертикальной или горизонтальной), величины зазора в МГ и ее конструкции, расстояния между МГ и покрытием носителя, от характеристик магнитного материала носителя и ряда других факторов.

МГ чтения позволяет определять моменты времени, когда при движении носителя под ней оказываются границы между участками с противоположными состояниями намагниченности носителя. Магнитный поток, создаваемый доменами носителя (МТ), частично замыкается через магнитопровод МГ чтения. При прохождении под МГ чтения отпечатка потокосцепление ее обмотки изменяется, и в ней наводится ЭДС. Величина ЭДС считывания Ur, согласно закону Фарадея, пропорциональна скорости изменения потока Ф, т.е.

Ur=-k(dФ/dt).

На рис. 4.3а показано формирование ЭДС самоиндукции, которая создает напряжение Ur на сопротивлении нагрузки. Закон изменения Ur показан на рис. 4.3б.

а) б)

Рис. 4.3. ЭДС самоиндукции создаёт напряжение Ur на сопротивлении r

Уменьшение длительности импульса воспроизведения может быть достигнуто путем уменьшения зазора в головке g , толщины магнитного покрытия s, расстояния d и длины перехода между соседними участками с противоположными направлениями намагниченности. Длина перехода определяется взаимодействием соседних участков носителя и для заданного материала ограничена снизу.

Важным параметром является расстояние (d) от зазора МГ до поверхности носителя. Если оно равно нулю, то реализуется контактная запись, характерная для МЛ и ГМД. При использовании жестких дисков реализуют бесконтактную запись, при которой МГ «летит» над поверхностью носителя.

3. 
   Способы записи информации на магнитном носителе
   

• 
  Способ записи без возврата к нулю с переключением потока по «1»
  

При регистрации информации на магнитном носителе производится изменение направления тока записи Iw в обмотке МГ при записи «1». Таким образом при записи каждой 1 магнитный поток в МГ меняет направление на противоположное, т.е. происходит «переключение потока», и на поверхности носителя остаются отпечатки - переходы от одного направления намагниченности к противоположному направлению. При записи «0» направление тока записи и, следовательно, состояние носителя не изменяются, таким образом, при записи «0» на поверхности носителя отпечатков не остаётся. В процессе считывания информации с носителя в МГ чтения индуцируются импульсы в моменты времени, когда под головкой оказываются переходы-отпечатки; эти импульсы соответствуют «1» в записанной цифровой последовательности.

Диаграмма, показывающая изменение тока записи Iw и считываемого сигнала Ur, приведена на рис. 4.4. Для восстановления цифровой последовательности при чтении необходимо осуществить синхронизацию, например, с помощью дополнительной дорожки с синхроимпульсами либо с помощью дополнительного синхрогенератора. Метод БВН-1 не обладает свойством самосинхронизации.

• 
  Способ группового кодирования (ГК)
  

Для ограничения максимальной длины непрерывной последовательности нулей при записи может быть использован принцип группового кодирования. Вся подлежащая записи на носителе цифровая последовательность разбивается на группы из (m) бит в каждой. Затем каждая такая группа из (m) бит заменяется промежуточной группой из (m+1) бит, таким образом, чтобы уменьшить количество подряд идущих «0». Это даст возможность осуществить синхронизацию, используя только информационные биты, т.е. осуществить самосинхронизацию.

• 
  Способ фазовой модуляции (ФМ)
  

В начале каждого такта записи производится переключение направления тока, причём при записи «1» направление одно, а при записи «0» - противоположное, что отражено на графике «ФК» рис.4.4. Из графика видно, что размер битовой ячейки или длина информационного бита T реализуется посредством 2MT (2 магнитных триггеров). Способ обладает свойством самосинхронизации.

• 
  Способ частотной модуляции (ЧМ).
  

Этот способ также называют двухчастотным способом записи, что соответствует изменению частоты получаемых импульсов в МГ при чтении, (рис. 4.4). В этом случае размер битовой ячейки или длина информационного бита T реализуется посредством 2MT (2-х магнитных триггеров), так же, как и в предыдущем случае. Способ обладает свойством самосинхронизации.

• 
  Способ модифицированной фазовой модуляции (МФМ).
  

Процесс записи и воспроизведения способом МФМ иллюстрируется примером на рис. 4.4. При записи «1» производится изменение направления тока в обмотке МГ в моменты, соответствующие началам тактовых интервалов. Для записи «0» необходимо сдвинуть фазу записи и производить переключение тока в обмотке записи в моменты, соответствующие серединам тактовых интервалов. Каждому изменению тока в МГ записи соответствует отпечаток на носителе, причём единицам соответствуют отпечатки в началах, а нулям - в середине тактовых интервалов. Направление изменения намагниченности при этом значения не имеет. При таком алгоритме отпечатки будут располагаться друг от друга на расстоянии, соответствующем длительности интервала записи T при записи непрерывных последовательностей одинаковых бит нулей или единиц; на расстоянии, соответствующем 1.5T при переходе от «1» к «0», на расстоянии, соответствующем 0.5 T при переходе от «0» к «1». Поскольку интервал 0.5T является “невыгодным”, то переключение в этом случае не производят, но при воспроизведении этот факт учитывают. При такой модификации алгоритма записи расстояние между отпечатками на носителе будут соответствовать трём интервалам: T, 1.5T, 2T, поэтому такой способ называют 3х - интервальным.

Логические схемы тракта воспроизведения, как и в случаях способов ФМ и ЧМ, должны быть предварительно настроены посредством служебной последовательности на начало тактового интервала. Алгоритм воспроизведения имеет следующий вид:

• 
  Фаза в начале тактового интервала:
  

1. 
   T1;
   
2. 
   1.5T0 и схема перестраивается на середину тактового интервала;
   
3. 
   2T 10.
   

• 
  Фаза в середине тактового интервала:
  

1. 
   T0;
   
2. 
   1.501 и схема перестраивается на начало тактового интервала.
   

• 
  RLL-кодирование. (RLL-Run Length Limited).
  

В MFM-кодировании размер битовой ячейки уменьшается до минимальной длины, равной длине магнитного триггера (MT), но можно достичь лучшего результата при дальнейшем сокращении числа сигналов синхронизации.

В RLL-кодировании совершенно нет сигналов синхронизации. Это стало возможно при записи на диск наборов, которые отличаются от наборов сохраняемых данных (рис. 4.5).

Рассмотрим способ 2,7 RLL. Математики и инженеры считают этот способ разновидностью способа группового кодирования. Идея группового кодирования состоит в том, что группа битов данных заменяется большей группой записываемых битов, но нам удобных, что в конечном итоге даёт экономию.

Рис. 4.4. Способы кодирования информации


Рис. 4.5. Схема преобразования двоичного потока данных в магнитные переходы T и промежутки между ними O в 2,7 RLL-кодировании
RLL-кодирование использует два ограничения на набор переходов магнитных полей. Во-первых, переходы по минимуму ограничены минимальной длиной магнитного триггера, а по максимуму переходы не должны вызвать потерю контроллером текущую позицию на диске.

Рассмотрим пример преобразования двоичного потока данных в магнитные переходы T и промежутки между ними O в 2,7 RLL-кодировании, который приведён на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Пример преобразования двоичного потока данных в магнитные переходы T и промежутки между ними O в 2,7 RLL-кодировании

Как определить выгоду 2.7 RLL по сравнению с MFM?

1. 
   С одной стороны псевдокод по длине увеличился по сравнению с исходным в 2 раза. Минимальное расстояние между переключениями увеличилось в 3 раза (=3).
   
2. 
   С другой стороны теперь минимальный магнитный триггер (MT) покрывает длину 3, а при MFM - 1.
   

В этой связи выгода RLL по отношению к MFM будет равна 3/2=1.5 раза; это означает, что на одной и той же длине магнитной поверхности размещается в 1.5 раза больше информации.

Пусть входной битовый поток, соответствующий ASCII-коду литеры “X” имеет вид 01011000. После преобразования в соответствии со схемой на рис. 4.5 получим выходной код магнитных переходов T и промежутков между ними O в виде TOOTOO-TOOO-OOOTOO.

На рис. 4.7 приведены сигналы, формируемые при записи ASCII-кода символа “X” = 01011000 при способах кодирования FM, MFM и RLL 2,7, на котором символ T показывает изменение ориентации магнитного поля, символ N показывает отсутствие изменения, символ * показывает границы битовых ячеек. На рис. 4.8, 4.9 для большей наглядности представлены схемы преобразования двоичного потока данных в магнитные переходы T и промежутки между ними O в FM и MFM - кодировании соответственно.
Рис. 4.7. Сигналы, формируемые при записи ASCII-кода символа “X” (01011000), при способах кодирования FM, MFM и 2,7 RLL

Рис. 4.8. Схема преобразования двоичного потока данных в магнитные переходы T и промежутки между ними O в FM-кодировании

Рис. 4.9. Схема преобразования двоичного потока данных в магнитные переходы T и промежутки между ними O в MFM-кодировании

4. 
   Рост плотности записи за 45 лет
   

Поверхностная плотность записи неуклонно увеличивается. При появлении первого устройства магнитного хранения данных IBM RAMAC в 1956 году рост поверхностной плотности записи достигал 25% в год, а с начала 1990 годов - 60%. Разработка и внедрение магниторезистивных (1991 год) и гигантских магниторезистивных головок (1997 год), а также накопителей, использующих антиферромагнитные двойные слои (2001 год), еще больше ускорили увеличение поверхностной плотности записи. За 47 лет, прошедших с момента появления первых устройств магнитного хранения данных, поверхностная плотность записи повысилась более чем в 17 млн. раз. В следующие пять лет (при сохранении существующих темпов роста) плотность записи достигнет 100 Гбит/дюйм². Эта плотность записи соответствует точке суперпарамагнитного эффекта (магнитные домены настолько малы, что становятся нестабильными при комнатной температуре). Использование новых технологий, например, материалов с высокой коэрцитивностью и записи с вертикальной поляризацией, позволит увеличить плотность записи до 400 Гбит/дюйм² и более. Одна из перспективных технологий недалекого будущего - голографические устройства хранения информации, в которых данные записываются с помощью лазера в “трехмерном пространстве” (кристаллические пластина или куб).

Дальнейшее повышение поверхностной плотности записи связано с созданием новых типов носителей (с использованием некристаллических стекловидных материалов) и конструкций головок, с применением метода псевдоконтактной записи, а также более совершенных методов обработки сигналов. Для достижения более высокого уровня поверхностной плотности необходимо создать такие головки и диски, которые могли бы функционировать при минимальном зазоре между ними.

Чтобы увеличить количество данных, размещаемых на жестком диске определенного размера, необходимо уменьшить расстояние между дорожками и повысить точность позиционирования головки чтения/записи по отношению к дорожкам носителя. Это означает также, что с увеличением емкости жесткого диска расстояние между головкой и поверхностью носителя во время операций чтения/записи должно уменьшаться. В некоторых накопителях зазор между головкой и поверхностью жесткого диска не превышает 10 нанометров (0,01 микрона), что примерно соответствует толщине клеточной мембраны. Для сравнения, толщина человеческого волоса в среднем равна 80 микрон, что в 8000 раз больше величины зазора между головкой чтения/записи и поверхностью носителя в некоторых накопителях. В перспективе дальнейшее повышение поверхностной плотности будущих накопителей возможно только при контактной (или почти контактной) записи данных.

1. 
   <предыдущая страница | следующая страница>