Хранение данных на магнитных носителях

История развития устройств хранения

Как магнитное поле используется для хранения данных

Конструкции головок чтения/записи

Способы кодирования данных

Сравнение способов кодирования

Декодеры PRML

Измерение емкости накопителя

Поверхностная плотность записи

Хранение данных на магнитных носителях

Практически во всех персональных компьютерах информация хранится на носителях, ис пользующих магнитные или оптические принципы. При использовании магнитных устройств хранения двоичные данные “превращаются” в небольшие металлические намагниченные час тички, расположенные на плоском диске или ленте в виде “узора”. Этот магнитный “узор” впоследствии может быть расшифрован в поток двоичных данных.
В этой главе рассматриваются принципы, основные концепции и технология магнитного хранения данных в современных компьютерах. Приведенная информация очень важна для по нимания функционирования накопителей на гибких и жестких дисках, ленточных накопителей и других подобных устройств. Эту главу можно назвать прелюдией к следующим главам:
-- 10, “Накопители на жестких дисках”;
-- 11, “Хранение данных на гибких дисках”;
-- 12, “Накопители со сменными носителями”;
-- 14, “Установка и конфигурирование накопителей”.
Замечание
Оптичесeие oстройства хранения данных и наeопители CD-ROM рассматриваются в aлаве 13, “Устройства оптичесeоaо хранения данных”.

История развития устройств хранения данных на магнитных носителях

Долгое время основным устройством хранения данных в компьютерном мире были пер фокарты. И только в 1949 году группа инженеров и исследователей компании IBM приступи ла к разработке нового устройства хранения данных. Именно это и стало точкой отсчета в ис тории развития устройств магнитного хранения данных, которые буквально взорвали компь ютерный мир. 21 мая 1952 года IBM анонсировала модуль ленточного накопителя IBM 726 для вычислительной машины IBM 701. Четыре года спустя, 13 сентября 1956 года, небольшая команда разработчиков все той же IBM объявила о создании первой дисковой системы хра нения данных — 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Эта систе ма могла хранить 5 млн символов (5 Мбайт!) на 50 дисках диаметром 24 дюйма (около 61 см). В отличие от ленточных устройств хранения данных, в системе RAMAC запись осу ществлялась с помощью головки в произвольное место поверхности диска. Такой способ за метно повысил производительность компьютера, поскольку данные записывались и извлека лись намного быстрее, чем при использовании ленточных устройств.
Устройства магнитного хранения данных прошли путь от RAMAC до современных жест ких дисков емкостью 75 Гбайт и размером 3,5 дюйма. Практически все устройства магнитно го хранения данных были созданы в исследовательских центрах IBM; например, команда раз работчиков под руководством Алана Шугарта (Alan Shugart) в 1971 году представила накопи тель на гибких дисках диаметром 8 дюймов. Кроме того, IBM впервые разработала схемы кодирования данных MFM (Modified Frequency Modulation) и RLL (Run Length Limited), го ловки накопителей — тонкопленочные и семейство магниторезистивных, технологии нако пителей — PRML (Partial Response Maximum Likelihood) и S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology).

Как магнитное поле используется для хранения данных

В основе работы магнитных носителей — накопителей на жестких и гибких дисках — ле жит такое явление, как электромагнетизм. Оно было открыто датским физиком Хансом Эр стедом в 1820 году. Суть его состоит в том, что при пропускании через проводник электриче ского тока вокруг него образуется магнитное поле (рис. 9.1). Это поле воздействует на оказавшееся в нем ферромагнитное вещество. При изменении направления тока полярность магнитного поля также изменяется. Явление электромагнетиз ма используется в электродвигателях для генерации сил, воздействующих на магниты, кото рые установлены на вращающемся валу.
Однако существует и противоположный эффект: в проводнике, на который воздействует переменное магнитное поле, возникает электрический ток. При изменении полярности маг нитного поля изменяется и направление электрического тока (рис. 9.2). Например, внутри обмоток генератора электрического тока, который используется в ав томобилях, есть ротор с катушкой возбуждения, при вращении которой в обмотках генерато ра возникает электрический ток. Благодаря такой взаимной “симметрии” электрического тока и магнитного поля существует возможность записывать, а затем считывать данные на маг нитном носителе.
Головка чтения/записи в любом дисковом накопителе состоит из U-образного ферромаг нитного сердечника и намотанной на него катушки (обмотки), по которой может протекать электрический ток. При пропускании тока через обмотку в сердечнике (магнитопроводе) го ловки создается магнитное поле (рис. 9.3). При переключении направления протекающего тока полярность магнитного поля также изменяется. В сущности, головки представляют со бой электромагниты, полярность которых можно очень быстро изменить, переключив на правление пропускаемого электрического тока.
Магнитное поле в сердечнике частично распространяется в окружающее пространство благодаря наличию зазора, “пропиленного” в основании буквы U. Если вблизи зазора распо лагается другой ферромагнетик (рабочий слой носителя), то магнитное поле в нем локализу ется, поскольку подобные вещества обладают меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух. Магнитный поток, пересекающий зазор, замыкается через носитель, что приводит к поляризации его магнитных частиц (доменов) в направлении действия поля. Направление по ля и, следовательно, остаточная намагниченность носителя зависят от полярности электриче ского поля в обмотке головки.
Гибкие магнитные диски обычно делаются на лавсановой, а жесткие — на алюминиевой или стеклянной подложке, на которую наносится слой ферромагнитного материала. Рабочий слой в основном состоит из окиси железа с различными добавками. Магнитные поля, созда ваемые отдельными доменами на чистом диске, ориентированы случайным образом и взаим но компенсируются на любом сколько-нибудь протяженном (макроскопическом) участке по верхности диска, поэтому его остаточная намагниченность равна нулю.
Если участок поверхности диска при протягивании вблизи зазора головки подвергается воздействию магнитного поля, то домены выстраиваются в определенном направлении и их магнитные поля больше не компенсируют друг друга. В результате на этом участке появляет ся остаточная намагниченность, которую можно впоследствии обнаружить. Выражаясь науч ным языком, можно сказать: остаточный магнитный поток, формируемый данным участком поверхности диска, становится отличным от нуля.
Итак, в результате протекания переменного тока импульсной формы в обмотке головки чтения/записи на вращающемся диске образуется последовательность участков с различной Каe маaнитное поле использoется для хранения данных 547 по знаку (направлению) остаточной намагниченностью. Причем наиболее важными в аспекте последующего воспроизведения записанной информации оказываются те зоны, в которых происходит смена направления остаточного магнитного поля, или просто зоны смены знака. Магнитная головка записывает данные на диск, размещая на нем зоны смены знака. При за писи каждого бита (или битов) данных в специальных областях на диске располагаются после довательности зон смены знака. Эти области называются битовыми ячейками. Таким образом, битовая ячейка — это специальная область на диске, в которой головка размещает зоны смены знака. Геометрические размеры такой ячейки зависят от тактовой частоты сигнала записи и ско рости, с которой перемещаются относительно друг друга головка и поверхность диска. Ячейка перехода — это область на диске, в которую можно записать только одну зону смены знака. При записи отдельных битов данных или их групп в ячейках формируется характерный “узор” из зон смены знака, зависящий от способа кодирования информации. Это связано с тем, что в процессе переноса данных на магнитный носитель каждый бит (или группа битов) с помощью специаль ного кодирующего устройства преобразуется в серию электрических сигналов, не являющихся точной копией исходной последовательности импульсов.
Замечание
На сеaодняшний день самыми распространенными способами eодирования являются модифицированная час тотная модoляция (Modified Frequency Modulation — MFM) и eодирование с оaраничением длины поля записи (Run Length Limited — RLL). Для записи на aибeие дисeи использoется метод MFM, а на жестeие — MFM и не сeольeо вариантов метода RLL. Подробнее о способах eодирования речь идет несeольeо ниже. При записи напряжение прилагается к головке, и по мере изменения его полярности реги стрируемая полярность магнитного поля также изменяется. Зоны смены знака записываются (регистрируются) в тех точках, в которых происходит изменение полярности. Это может по казаться странным, но во время считывания головка выдает не совсем тот сигнал, который был записан; вместо этого она генерирует импульс напряжения, или выброс, только в тех точках, в которых пересекает зону смены знака.
В сущности, во время считывания информации с диска головка ведет себя как детектор зон смены знака, выдавая импульсы напряжения при каждом пересечении такой зоны. На тех участках, где не происходит смены знака, импульсы не генерируются (выбросы отсутствуют). На рис. 9.4 в графическом виде представлена взаимосвязь между формами импульсов (сигналов) во время считывания и записи и зонами смены знака, записанными на диске. Записываемые данные представляют собой импульсы прямоугольной формы, соответст вующие положительным или отрицательным значениям напряжения, которые приводят к по ляризации магнитного носителя в том или ином направлении. Когда меняется полярность на пряжения, остаточная намагниченность диска также изменяет полярность. Во время считы вания головка регистрирует зоны смены знака и выдает соответствующие импульсы. Другими словами, сигнал соответствует нулевому напряжению, если не обнаружены переходы от по ложительного знака к отрицательному или наоборот. Импульсы появляются только в тех слу чаях, когда головка пересекает зоны смены знака на магнитном носителе. Зная тактовую час тоту, схема устройства или контроллера определяет, попадает ли импульс (и, следовательно, зона смены знака) в данную ячейку перехода.
Амплитуда сигнала, поступающего с головки при считывании, очень мала, поэтому про блема шумов и помех является достаточно острой. Для усиления сигнала используются высо кочувствительные устройства. После усиления сигнал поступает на декодирующие схемы, которые предназначены для восстановления потока данных, идентичного (теоретически!) по току, поступавшему на накопитель при выполнении записи.
Итак, запись и считывание информации с диска основаны на принципах электромагне тизма. При записи данных на диск электрический ток пропускается через электромагнит (головку устройства), в результате чего создаются зоны намагниченности, которые и сохра няются на диске. Данные считываются с диска при перемещении головки над его поверхно стью; при этом головка регистрирует изменения в зонах намагниченности и в результате ге нерирует слабые электрические сигналы, указывающие на наличие или отсутствие зон смены знака в записанных сигналах.

Конструкции головок чтения/записи

По мере развития технологии производства дисковых накопителей совершенствовались и конструкции головок чтения/записи. Первые головки представляли собой сердечники с об моткой (электромагниты). По современным меркам их размеры были огромными, а плот ность записи — чрезвычайно низкой. За прошедшие годы конструкции головок прошли дол гий путь развития от первых головок с ферритовыми сердечниками до современных типов. В этом разделе описаны типы головок, применяемые в накопителях на жестких дисках. Чаще всего используются головки следующих четырех типов:
-- ферритовые;
-- с металлом в зазоре (MIG);
-- тонкопленочные (TF);
-- магниторезистивные (MR);
-- гигантские магниторезистивные (GMR).
Рис. 9.4. Запись и считывание информации с магнитного диска Констрoeции aоловоe чтения/записи 549
Ферритовые головки
Классические ферритовые головки впервые были использованы в накопителе Winchester 30-30 компании IBM. Их сердечники делаются на основе прессованного феррита (на основе окиси железа). Магнитное поле в зазоре возникает при протекании через обмотку электриче ского тока. В свою очередь, при изменениях напряженности магнитного поля вблизи зазора в обмотке наводится электродвижущая сила. Таким образом, головка является универсальной, т.е. может использоваться как для записи, так и для считывания. Размеры и масса феррито вых головок больше, чем у тонкопленочных; поэтому, чтобы предотвратить их нежелатель ные контакты с поверхностями дисков, приходится увеличивать зазор.
За время существования ферритовых головок их первоначальная (монолитная) конструк ция была значительно усовершенствована. Были разработаны, в частности, так называемые стеклоферритовые (композитные) головки, небольшой ферритовый сердечник которых ус тановлен в керамический корпус. Ширина сердечника и магнитного зазора таких головок меньше, что позволяет повысить плотность размещения дорожек записи. Кроме того, снижа ется их чувствительность к внешним магнитным помехам.
В 1980-х годах стеклоферритовые головки широко использовались в дешевых накопите лях, например ST-225 компании Seagate. По мере увеличения емкости накопителей феррито вые головки были полностью вытеснены другими разновидностями. Ферритовые головки не пригодны для записи на носители с большой коэрцитивной силой, их частотная характери стика ограничена, а чувствительность низка (плохое соотношение “сигнал–шум”). Главное достоинство ферритовых головок — их дешевизна.
Головки с металлом в зазоре
Головки с металлом в зазоре (Metal-In-Gap — MIG) появились в результате усовершенст вования конструкции композитной ферритовой головки. В таких головках магнитный зазор, расположенный в задней части сердечника, заполнен металлом. Благодаря этому существен но уменьшается склонность материала сердечника к магнитному насыщению, что позволяет повысить магнитную индукцию в рабочем зазоре и, следовательно, выполнить запись на диск с большей плотностью. Кроме того, градиент магнитного поля, создаваемого головкой с ме таллом в зазоре, выше, а это означает, что на поверхности диска формируются намагничен ные участки с более четко выраженными границами (уменьшается ширина зон смены знака). Эти головки позволяют использовать носители с большой коэрцитивной силой и тонкопле ночным рабочим слоем. За счет уменьшения общей массы и улучшения конструкции такие головки могут располагаться ближе к поверхности носителя.
Головки с металлом в зазоре бывают двух видов: односторонние и двусторонние (т.е. с одним и с двумя металлизированными зазорами). В односторонних головках прослойка из магнитного сплава расположена только в заднем (нерабочем) зазоре, а в двусторонних — в обоих. Слой металла наносится методом вакуумного напыления. Индукция насыщения маг нитного сплава примерно вдвое больше, чем у феррита, что, как уже отмечалось, позволяет осуществлять запись на носители с большой коэрцитивной силой, которые используются в на копителях высокой емкости. Двусторонние головки в этом отношении лучше односторонних. Благодаря своим неоспоримым преимуществам некоторое время назад головки с метал лом в зазоре полностью заменили традиционные ферритовые головки в высококачественных накопителях. Но постоянно возрастающие требования к емкости жестких дисков привели к тому, что их сейчас постепенно вытесняют тонкопленочные головки.
Тонкопленочные головки
Тонкопленочные (Thin Film — TF) головки производятся почти по той же технологии, что и интегральные схемы, т.е. путем фотолитографии. На одной подложке можно “напечатать” сразу несколько тысяч головок, которые получаются в результате маленькими и легкими. Рабочий зазор в тонкопленочных головках можно сделать очень узким, причем его шири на регулируется в процессе производства путем наращивания дополнительных слоев немаг нитного алюминиевого сплава. Алюминий полностью заполняет рабочий зазор и хорошо за щищает его от повреждений (сколов краев) при случайных контактах с диском. Собственно сердечник делается из сплава железа и никеля, индукция насыщения которого в 2–4 раза больше, чем у феррита.
Формируемые тонкопленочными головками участки остаточной намагниченности на по верхности диска имеют четко выраженные границы, что позволяет добиться очень высокой плотности записи. Благодаря небольшому весу и малым размерам головок можно значитель но уменьшить просвет между ними и поверхностями дисков по сравнению с ферритовыми и MIG-головками: в некоторых накопителях его величина не превышает 0,05 мкм. В результа те, во-первых, повышается остаточная намагниченность участков поверхности носителя и, во-вторых, увеличивается амплитуда сигнала и улучшается соотношение “сигнал–шум” в ре жиме считывания, что в итоге сказывается на достоверности записи и считывания данных. При тех плотностях расположения дорожек и размещения данных вдоль дорожки, которые характерны для современных накопителей, сигнал воспроизведения с обычной ферритовой головки просто “потерялся” бы в шумах и помехах. Наконец, благодаря небольшой высоте тонкопленочных головок при тех же размерах корпуса накопителя удается установить боль шее количество дисков.
До недавнего времени тонкопленочные головки были значительно дороже остальных. Усовершенствование технологии производства и повышение требований к емкости накопи телей привели, с одной стороны, к снижению стоимости тонкопленочных головок (она стала сопоставимой, а иногда и более низкой, чем цена ферритовых головок и головок с металлом в зазоре), а с другой — к их более широкому распространению.
В настоящее время тонкопленочные головки используются в большинстве накопителей высокой емкости, особенно в малогабаритных моделях, практически вытеснив головки с ме таллом в зазоре. Их конструкция и характеристики постоянно улучшаются, но, скорее всего, в ближайшее время они будут вытеснены магниторезистивными головками.
Магниторезистивные головки
Магниторезистивные (Magneto-Resistive — MR) головки появились сравнительно недав но. Они разработаны компанией IBM и позволяют добиться самых высоких значений плотно сти записи и быстродействия накопителей. Впервые магниторезистивные головки были уста новлены в накопителе на жестких дисках емкостью 1 Гбайт (3,5") компании IBM в 1991 году. Все головки являются детекторами, т.е. регистрируют изменения в зонах намагниченно сти и преобразуют их в электрические сигналы, которые могут быть интерпретированы как данные. Однако при магнитной записи существует одна проблема: при уменьшении магнит ных доменов носителя уменьшается уровень сигнала головки и существует вероятность при нять шум за “настоящий” сигнал. Для решения этой проблемы необходимо иметь эффектив ную головку чтения, которая более достоверно сможет определить наличие сигнала. Довольно давно был открыт еще один эффект магнетизма: при воздействии на проводник внешнего магнитного поля его сопротивление изменяется. При прохождении обычной головки Констрoeции aоловоe чтения/записи 551
над зоной смены знака на выходах обмотки формируется импульс напряжения. Иначе обстоит дело при считывании данных с помощью магниторезистивной головки. Ее сопротивление ока зывается различным при прохождении над участками с разным значением остаточной (постоянной) намагниченности. Это явление и послужило основой для создания компанией IBM нового типа считывающих головок. Через головку протекает небольшой постоянный измери тельный ток, и при изменении сопротивления изменяется и падение напряжения на ней. Поскольку на основе магниторезистивного эффекта можно построить только считываю щее устройство, магниторезистивная головка — это на самом деле две головки, объединен ные в одну конструкцию. При этом записывающая часть представляет собой обычную индук тивную головку, а считывающая — магниторезистивную. Так как функции считывания и за писи разделены между двумя отдельными узлами, каждый из них может быть спроектирован так, чтобы наилучшим образом выполнять предусмотренную операцию. Амплитуда выходно го сигнала у такой головки оказывается примерно в четыре раза больше, чем у индуктивной. Магниторезистивные головки дороже и сложнее головок других типов, поскольку в их конст рукции есть добавочные элементы, а технологический процесс включает несколько дополнитель ных этапов. Ниже перечислены основные отличия магниторезистивных головок от обычных:
-- к ним должны быть подведены дополнительные провода для подачи измерительного тока на резистивный датчик;
-- в процессе производства используется 4–6 дополнительных масок (фотошаблонов);
-- благодаря высокой чувствительности магниторезистивные головки более восприимчи вы к внешним магнитным полям, поэтому их приходится тщательно экранировать.
Во всех рассмотренных ранее головках в процессе записи и считывания “работал” один и тот же зазор, а в магниторезистивной головке их два — каждый для своей операции. При раз работке головок с одним рабочим зазором приходится идти на компромисс при выборе его ширины. Дело в том, что для улучшения параметров головки в режиме считывания нужно уменьшать ширину зазора (для увеличения разрешающей способности), а при записи зазор должен быть шире, поскольку при этом магнитный поток проникает в рабочий слой на боль шую глубину (“намагничивая” его по всей толщине). В магниторезистивных головках с двумя зазорами каждый из них может иметь оптимальную ширину. Еще одна особенность рассмат риваемых головок заключается в том, что их записывающая (тонкопленочная) часть форми рует на диске более широкие дорожки, чем это необходимо для работы считывающего узла (магниторезистивного). В данном случае считывающая головка “собирает” с соседних доро жек меньше магнитных помех.
Схема типичной магниторезистивной головки IBM показана на рис. 9.5. Здесь представ лен весь узел головки вместе с ползунком. Считывающий элемент головки (магниторезистивный сенсор) состоит из железоникелевой пленки, отделенной небольшим промежутком от магнитного слоя. Эта пленка изменяет свое сопротивление в зависимости от магнитного поля. Защитные слои предохраняют сенсор считывающего элемента от “случайных” магнитных полей. В большинстве конструкций вторая защита выполняет функ ции записывающего элемента. Такой тип головок называют объединенными магниторези стивными головками. Записывающий элемент представляет собой обычную тонкопленочную индуктивную головку.
Гигантские магниторезистивные головки
В 1997 году IBM анонсировала новый тип магниторезистивных головок, обладающих намного большей чувствительностью. Они были названы гигантскими магниторезистивными головками (Giant Magnetoresistive — GMR). Такое название они получили на основе используемого эффекта (хотя по размеру были меньше стандартных магниторезистивных головок). Эффект GMR был от крыт в 1988 году в кристаллах, помещенных в очень сильное магнитное поле (приблизительно в 1 000 раз превышающее магнитное поле, используемое в накопителях на жестких дисках). Считы вающий элемент гигантской магниторезистивной головки показан на рис. 9.6. В декабре 1997 года все та же IBM анонсировала накопитель емкостью 16,8 Гбайт (3,5"), в котором используются головки GMR. В настоящее время в большинстве накопителей на же стких дисках используется этот тип головок. Скорее всего, технология GMR будет домини рующей и в начале нового тысячелетия.
Ползунок
Ползунком называется деталь конструкции, благодаря которой головка поддерживается в подвешенном положении на нужном расстоянии от поверхности диска. Сам ползунок при этом тоже не соприкасается с поверхностью носителя. В большинстве случаев эта деталь по форме напоминает катамаран с двумя боковыми “поплавками” и центральной “рулевой руб кой” — магнитной головкой (рис. 9.7). Контакт Мягкий граничный слой Разделитель Железоникелевая магниторезистивная пленка Магниторезистивный сенсор (считывающая головка) Узел магниторезистивной головки и ползунок Объединенная магниторезистивная головка Контакт Тонкопленочная индуктивная записывающая головка Рис. 9.5. Поперечное сечение магниторезистивной головки Контакт Контакт Spin valve GMR sensor Железомарганцевая пленка Медный слой Железоникелевая пленка Кобальтовая пленка Рис. 9.6. Поперечное сечение гигантской магниторезистивной головки Способы eодирования данных 553 Тенденция к постоянному уменьшению разме- ров накопителей приводит к тому, что все их со- ставные части, в том числе и ползунки, тоже уменьшаются. Например, размер стандартного ми- ни-винчестера равен 0,160?0,126?0,034 дюймов (4?3,2?0,86 мм). Сейчас в большинстве накопите- лей высокой емкости и малогабаритных моделях используются ползунки меньших размеров (уменьшенных на 50%): 0,08?0,063?0,017 дюймов (2?1,6?0,43 мм). В новейших моделях размеры ползунка уменьшаются на 70%. Уменьшение размеров ползунка приводит к снижению массы подвижной системы, состоящей из головки, ползунка и рычага перемещения головки. Это, в свою очередь, позволяет переме щать их с большими ускорениями, т.е. уменьшить время перехода с одной дорожки на другую и в итоге — время доступа к данным. Кроме того, при этом можно уменьшить размеры зоны “парковки” головок (“посадочной полосы”) и соответственно увеличить полезную площадь дис ков. Наконец, благодаря меньшей площади контактной поверхности ползунка уменьшается не избежный износ поверхности носителя в процессе раскручивания и остановки дисков. В новейших конструкциях ползунков их нижней стороне придается специальная форма, благодаря которой высота “полета” головок над поверхностью диска (величина воздушного просвета) поддерживается примерно одинаковой при работе как на внешних, так и на внут ренних цилиндрах. При использовании обычных ползунков просвет между головкой и рабо чим слоем диска существенно изменяется при переходе от внешних дорожек к внутренним и наоборот. Это связано с различиями в линейных скоростях разных участков поверхности диска относительно головок (линейная скорость зависит от радиуса вращения). Чем выше скорость, тем больше величина просвета. Такой эффект крайне нежелателен, особенно в но вых накопителях с зонной записью, в которых линейные плотности записи (вдоль дорожек) одинаковы на всех цилиндрах. В этом случае для нормального считывания и записи величина воздушного просвета между головкой и рабочим слоем диска должна оставаться постоянной. Эту проблему можно решить, придав поверхностям ползунков специальную форму, что и де лается в накопителях с зонной записью.

Способы кодирования данных

Данные на магнитном носителе хранятся в аналоговой форме. В то же время сами данные представлены в цифровом виде, так как являются последовательностью нулей и единиц. При выполнении записи цифровая информация, поступая на магнитную головку, создает на диске магнитные домены соответствующей полярности. Если во время записи на головку поступает положительный сигнал, магнитные домены поляризуются в одном направлении, а если отри цательный — в противоположном. Когда меняется полярность записываемого сигнала, про исходит также изменение полярности магнитных доменов.
Если во время воспроизведения головка регистрирует группу магнитных доменов одинако вой полярности, она не генерирует никаких сигналов; генерация происходит только тогда, когда головка обнаруживает изменение полярности. Эти моменты изменения полярности называются сменой знака. Каждая смена знака приводит к тому, что считывающая головка выдает импульс напряжения; именно эти импульсы устройство регистрирует во время чтения данных. Но при этом считывающая головка генерирует не совсем тот сигнал, который был записан; на самом деле она создает ряд импульсов, каждый из которых соответствует моменту смены знака. Рис. 9.7. Внешний вид ползунка
554 Глава 9. Устройства маaнитноaо хранения данных
Чтобы оптимальным образом расположить импульсы в сигнале записи, необработанные исходные данные пропускаются через специальное устройство, которое называется кодером/декодером (encoder/decoder). Это устройство преобразует двоичные данные в элек трические сигналы, оптимизированные в аспекте размещения зон смены знака на дорожке за писи. Во время считывания кодер/декодер выполняет обратное преобразование: восстанавли вает из сигнала последовательность двоичных данных. За прошедшие годы было разработано несколько методов кодирования данных, причем главной целью разработчиков было дости жение максимальной эффективности и надежности записи и считывания информации. При работе с цифровыми данными особое значение приобретает синхронизация. Во время считывания или записи очень важно точно определить момент каждой смены знака. Если син хронизация отсутствует, то момент смены знака может быть определен неправильно, в резуль тате чего неизбежна потеря или искажение информации. Чтобы предотвратить это, работа пере дающего и принимающего устройств должна быть строго синхронизирована. Существует два пути решения данной проблемы. Во-первых, синхронизировать работу двух устройств, переда вая специальный сигнал синхронизации (или синхросигнал) по отдельному каналу связи. Во вторых, объединить синхросигнал с сигналом данных и передать их вместе по одному каналу. Именно в этом и заключается суть большинства способов кодирования данных.
Если данные и синхросигнал передаются по одному каналу, то можно осуществить их взаимную временную привязку при передаче между любыми двумя устройствами. Простей ший способ сделать это — перед передачей ячейки данных послать синхронизирующий сиг нал. Применительно к магнитным носителям это означает, что, например, ячейка, содержа щая один бит информации, должна начинаться с зоны смены знака, которая выполняет роль заголовка. Затем следует (или не следует) переход, в зависимости от значения бита данных. Заканчивается рассматриваемая ячейка еще одной зоной смены знака, которая одновременно является стартовой для следующей ячейки. Преимущество этого метода состоит в том, что синхронизация не нарушается даже при воспроизведении длинных цепочек нулей (или еди ниц), а недостаток — в том, что дополнительные зоны смены знака, необходимые только для синхронизации, занимают место на диске, которое могло бы использоваться для записи данных. Поскольку количество зон смены знака, которые можно записать на диске, ограничено возможностями технологий производства носителей и головок, при разработке дисковых на копителей изобретаются такие способы кодирования данных, с помощью которых можно было бы “втиснуть” как можно больше битов данных в минимальное количество зон смены знака. При этом приходится учитывать то неизбежное обстоятельство, что часть из них все равно будет использоваться только для синхронизации.
Хотя разработано великое множество самых разнообразных методов, на сегодняшний день реально используются только три из них:
-- частотная модуляция (FM);
-- модифицированная частотная модуляция (MFM);
-- кодирование с ограничением длины поля записи (RLL).
Далее эти методы рассматриваются на примере ASCII-кода символа “X”. Частотная модуляция (FM) Метод кодирования FM (Frequency Modulation — частотная модуляция) был разработан прежде других и использовался при записи на гибкие диски так называемой одинарной плот ности (single density) в первых ПК. Емкость таких односторонних дискет составляла всего 80 Кбайт. В 1970-х годах запись по методу частотной модуляции использовалась во многих устройствах, но сейчас от него полностью отказались. Способы eодирования данных 555 Модифицированная частотная модуляция (MFM) Основной целью разработчиков метода MFM (Modified Frequency Modulation — модифи цированная частотная модуляция) было сокращение количества зон смены знака для записи того же объема данных по сравнению с FM-кодированием и соответственно увеличение по тенциальной емкости носителя. При этом способе записи количество зон смены знака, ис пользуемых только для синхронизации, уменьшается. Синхронизирующие переходы записы ваются только в начало ячеек с нулевым битом данных и только в том случае, если ему пред шествует нулевой бит. Во всех остальных случаях синхронизирующая зона смены знака не формируется. Благодаря такому уменьшению количества зон смены знака при той же допус тимой плотности их размещения на диске информационная емкость по сравнению с записью по методу FM удваивается.
Вот почему диски, записанные по методу MFM, часто называют дисками двойной плот ности (double density). Поскольку при рассматриваемом способе записи на одно и то же ко личество зон смены знака приходится вдвое больше “полезных” данных, чем при FM- кодировании, скорость считывания и записи информации на носитель также удваивается. При записи и воспроизведении данных по методу MFM требования, предъявляемые к точно сти синхронизации, более жесткие, чем при FM-кодировании. Однако все сложности были ус пешно преодолены, и MFM стал самым популярным методом кодирования на долгие годы. В табл. 9.1 приведено соответствие между битами данных и зонами смены знака. Кодирование с ограничением длины поля записи (RLL) На сегодняшний день наиболее популярен метод кодирования с ограничением длины поля записи (Run Length Limited — RLL). Он позволяет разместить на диске в полтора раза больше информации, чем при записи по методу MFM, и в три раза больше, чем при FM-кодировании. При использовании этого метода происходит кодирование не отдельных битов, а целых групп, в результате чего создаются определенные последовательности зон смены знака. Метод RLL был разработан IBM и сначала использовался в дисковых накопителях боль ших машин. В конце 1980-х годов его стали использовать в накопителях на жестких дисках ПК, а сегодня он применяется почти во всех ПК.
Как уже отмечалось, при записи по методу RLL одновременно кодируются целые группы битов. Термин Run Length Limited (с ограничением длины пробега) составлен из названий двух основных параметров, которыми являются минимальное (длина пробега) и максималь ное (предел пробега) число ячеек перехода, которые можно расположить между двумя зона ми смены знака. Изменяя эти параметры, можно получать различные методы кодирования, но на практике используются только два из них: RLL 2,7 и RLL 1,7. Методы FM и MFM, в сущности, являются частными вариантами RLL. Так, например, FM- кодирование можно было бы назвать RLL 0,1, поскольку между двумя зонами смены знака мо жет располагаться максимум одна и минимум нуль ячеек перехода. Соответственно метод MFM в этой терминологии можно было бы обозначить RLL 1,3, так как в этом случае между двумя зонами смены знака может располагаться от одной до трех ячеек перехода. Однако при упоми нании этих методов обычно используются более привычные названия FM и MFM.
До последнего времени самым популярным был метод RLL 2,7, поскольку он позволял достичь высокой плотности записи данных (в 1,5 раза больше по сравнению с методом MFM) и достоверности (надежности) их воспроизведения. При этом соотношение размеров зон смены знака и участков с постоянной намагниченностью оставалось тем же, что и при методе MFM. Однако для накопителей очень большой емкости метод RLL 2,7 оказался недостаточно надежным. В большинстве современных жестких дисков высокой емкости используется ме тод RLL 1,7, который позволяет увеличить плотность записи в 1,27 раза по сравнению с MFM при оптимальном соотношении между размерами зон смены знака и участков с постоянной намагниченностью. За счет некоторого снижения плотности записи (по сравнению с RLL 2,7) удалось существенно повысить надежность считывания данных. Это особенно важно, по скольку в накопителях большой емкости носители и головки уже приближаются к пределу возможностей современной технологии. И так как при разработке современных жестких дис ков приоритет принадлежит надежности считывания данных, можно ожидать, что в ближай шем будущем метод RLL 1,7 достигнет наибольшего распространения.
Еще один редко используемый вариант RLL — метод RLL 3,9. Иногда его называют усо вершенствованным RLL, или ARRL (Advanced RLL). С его помощью можно достичь еще большей плотности записи информации, чем при использовании метода RLL 2,7. Но, к сожа лению, надежность ARRL-кодирования очень невысока; его пытались использовать в некото рых контроллерах, но их выпуск был вскоре прекращен. Понять сущность RLL-кодирования без наглядных примеров довольно сложно, поэтому рассмотрим метод RLL 2,7, так как именно он чаще всего используется. Даже для этого кон кретного варианта можно построить множество (тысячи!) таблиц перекодировки различных последовательностей битов в серии зон смены знака. Остановимся на таблице, которая ис пользовалась IBM при создании кодеров/декодеров.
Согласно этой таблице группы данных длиной 2, 3 и 4 бит преобразуются в серии зон смены знака длиной 4, 6 и 8 битовых ячеек соответственно. При этом кодирование последо вательностей битов происходит так, чтобы расстояние между зонами смены знаков было не слишком маленьким, но и не слишком большим. Первое ограничение вызвано тем, что величины разрешений головки и магнитного носи теля как правило являются фиксированными. Второе ограничение необходимо для того, что бы обеспечить синхронизацию устройств.
В табл. 9.2 приведена схема кодирования по методу RLL 2,7, разработанная компанией IBM. При внимательном изучении этой таблицы можно заметить, что кодировать, например, байт 00000001 нельзя, поскольку его нельзя составить из комбинации приведенных в таблице групп битов. Однако на практике при этом никаких проблем не возникает. Дело в том, что контроллер не оперирует байтами, а формирует сразу целые секторы записи. Поэтому, если ему попадается такой байт, он просто начинает искать подходящую для разбивки на группы комбинацию с учетом следующего байта последовательности. Затруднение может возникнуть только в том случае, если указанный байт последний в секторе. В этой ситуации кодер, уста новленный в контроллере, просто дописывает в конец последнего байта несколько дополни тельных битов. При последующем считывании они отбрасываются, и последний байт вос производится таким, каким он должен быть.

Сравнение способов кодирования

На рис. 9.8 показаны диаграммы сигналов, формируемых при записи на жесткий диск ASCII-кода символа “X” для трех различных способов кодирования. В верхней строке каждой из этих диаграмм показаны отдельные биты данных (01011000) в битовых ячейках, границами которых являются синхронизирующие сигналы, обозначенные точками. Под этой строкой изображен сам сигнал, представляющий собой чередование по ложительных и отрицательных значений напряжения, причем в моменты смены полярности напряжения происходит запись зоны смены знака. В нижней строке показаны ячейки перехо да, причем T обозначает ячейку, содержащую зону смены знака, а N — ячейку, в которой зо ны смены знака нет.
Разобраться в FM-кодировании очень просто. В каждой битовой ячейке содержится две ячейки перехода: одна для синхронизирующего сигнала, другая для самих данных. Все ячей ки перехода, в которых записаны сигналы синхронизации, содержат зоны смены знака. В то же время ячейки перехода, в которых записаны данные, содержат зону смены знака только в том случае, если значение бита равно логической единице. При нулевом значении бита зона смены знака не формируется. Поскольку в нашем примере значение первого бита — 0, он бу дет записан в виде комбинации TN. Значение следующего бита равно 1, и ему соответствует комбинация TT. Третий бит тоже нулевой (TN) и т.д. С помощью приведенной выше диа граммы FM-кодирования легко проследить всю кодирующую комбинацию для рассматри ваемого примера байта данных. Отметим, что при таком способе записи зоны смены знака могут следовать непосредственно одна за другой; в терминах RLL-кодирования это означает, что минимальный “пробег” равен нулю. С другой стороны, максимально возможное количе ство пропущенных подряд зон смены знака не может превышать единицы; вот почему FM- кодирование можно обозначить как RLL 0,1.
При MFM-кодировании в ячейках также записывается синхросигнал и биты данных. Но, как видно из схемы, ячейки для записи синхросигнала содержат зону смены знака только в том случае, если значения и текущего и предыдущего битов равны нулю. Первый бит сле ва — нулевой, значение же предыдущего бита в данном случае неизвестно, поэтому предпо ложим, что он тоже равен нулю. При этом последовательность зон смены знака будет выгля деть как TN. Значение следующего бита равно единице, которой всегда соответствует комби нация NT. Следующему нулевому биту предшествует единичный, поэтому ему соответствует последовательность NN. Аналогичным образом можно проследить процесс формирования сигнала записи до конца байта. Легко заметить, что минимальное и максимальное число яче ек перехода между любыми двумя зонами смены знака равно 1 и 3 соответственно. Следова тельно, MFM-кодирование в терминах RLL может быть названо методом RLL 1,3. Поскольку в данном случае используется только половина зон смены знака (по сравнению с FM-кодированием), частоту синхронизирующего сигнала можно удвоить, сохранив при этом то же расстояние между зонами смены знака, которое использовалось при методе FM. Это означает, что плотность записываемых данных остается такой же, как при FM- кодировании, но данных кодируется вдвое больше.
Труднее всего разобраться в диаграмме, иллюстрирующей метод RLL 2,7, поскольку в нем кодируются не отдельные биты, а их группы. Первая группа слева, совпадающая с одной из приведенных в табл. 9.2 комбинаций, состоит из трех битов: 010. Она преобразуется в та кую последовательность зон смены знака: TNNTNN. Следующим двум битам (11) соответст вует комбинация TNNN, а последним трем (000) — NNNTNN. Как видите, в данном примере для корректного завершения записи дополнительные биты не потребовались. Обратите внимание, что в этом примере минимальное и максимальное число пустых ячеек перехода между двумя зонами смены знака равно 2 и 6 соответственно, хотя в другом примере максимальное количество пустых ячеек перехода может равняться 7. Именно поэтому такой способ кодирования называется RLL 2,7. Поскольку в данном случае записывается еще меньше зон смены знака, чем при MFM-кодировании, частоту сигнала синхронизации можно увеличить в 3 раза по сравнению с методом FM и в 1,5 раза по сравнению с методом MFM. Это позволяет на таком же пространстве диска записать больше данных. Но необходимо отметить, что мини мальное и максимальное физическое расстояние на поверхности диска между любыми двумя зонами смены знака одинаково для всех трех упомянутых методов кодирования.

Декодеры PRML (Partial-Response, Maximum-Likelihood)

В последнее время в накопителях вместо традиционных усилителей считывания с пико- выми детекторами стала использоваться так называемая технология PRML (Partial-Response, Maximum-Likelihood — частичное определение, максимальное правдоподобие). Это позволяет Измерение емeости наeопителя 559 повысить плотность расположения зон смены знака на диске в среднем на 40% и на столько же увеличить емкость носителя.
Увеличение плотности записи приводит к тому, что пиковые значения напряжения при считывании данных могут накладываться друг на друга. При использовании метода PRML контроллер анализирует поток данных с головки посредством фильтрации, обработки и алго ритма определения (элемент частичного определения), а затем предсказывает последователь ность битов, которые этот поток данных наилучшим образом представляет (элемент макси мального правдоподобия). Обработка данных осуществляется цифровыми методами. В настоящее время в самых новых накопителях на жестких дисках с успехом используется описанная схема PRML.

Измерение емкости накопителя

В декабре 1998 года Международная электротехническая комиссия (МЭК), занимающаяся стандартизацией в области электротехники, представила в качестве официального стандарта систему названий и символов единиц измерения для использования в области обработки и передачи данных. До недавнего времени при одновременном использовании десятичной и двоичной систем измерений один мегабайт мог быть равен как 1 млн байт (106), так и 1 048 576 байт (220). Стандартные сокращения единиц, используемые для измерения емкости магнитных и других накопителей, приведены в табл. 9.3. В соответствии с новым стандартом 1 MiB (mebibyte) содержит 220 (1 048 576) байт, а 1 Мбайт (мегабайт) — 106 (1 000 000) байт. К сожалению, не существует общепринятого спо соба отличать двоичные кратные единицы измерения от десятичных. Другими словами, анг лийское сокращение MB (или M) может обозначать как миллионы байтов, так и мегабайты. Как правило, объемы памяти измеряются в двоичных единицах, но емкость накопителей — и в десятичных и в двоичных, что часто приводит к недоразумениям. Заметьте также, что в английском варианте биты (bits) и байты (Bytes) отличаются регистром первой буквы (она может быть строчной или прописной). Например, при обозначении миллионов битов исполь зуется строчная буква “b”, в результате чего единица измерения миллион битов в секунду обозначается Mbps, в то время как MBps означает миллион байтов в секунду.

Поверхностная плотность записи

Основной критерий оценки накопителей на жестких дисках — поверхностная плотность записи. Она определяется как произведение линейной плотности записи вдоль дорожки, вы ражаемой в битах на дюйм (Bits Per Inch — BPI), и количества дорожек на дюйм (Tracks Per Inch — TPI) (рис. 9.9). В результате поверхностная плотность записи выражается в Мбит/дюйм2 или Гбит/дюйм2. На основании этого значения можно сделать вывод об эффектив ности того или иного способа записи данных. В современных накопителях размером 3,5 дюйма величина этого параметра составляет 10–20 Гбит/дюйм2, а в экспериментальных моделях дости гает 40 Гбит/дюйм2. Это позволяет выпускать накопители емкостью более 400 Гбайт.
В накопителях данные записываются в виде дорожек; каждая дорожка, в свою очередь, со стоит из секторов. На рис. 9.10 показан магнитный диск 5,25-дюймовой дискеты на 360 Кбайт, состоящий из 40 дорожек на каждой стороне, а каждая дорожка разделена на 9 секторов. В начале каждого сектора находится особая область, в которую записываются идентифи кационная и адресная информация. В области перед первым сектором записываются заголов ки дорожки и сектора. Перед остальными секторами записываются лишь заголовки сектора. Область между заголовками предназначена непосредственно для записи данных. Обратите внимание, что девятый сектор длиннее всех остальных. Это сделано для того, чтобы компенсировать отличия в скорости вращения различных накопителей. Большая часть поверхности рассматриваемой дискеты не используется; это связано с длиной внешних и внутренних секторов Поверхностная плотность записи неуклонно увеличивается. При появлении первого уст ройства магнитного хранения данных IBM RAMAC в 1956 году рост поверхностной плотно сти записи достигал 25% в год, а с начала 1990-х — 60%. Разработка и внедрение магниторе зистивных (1991 год) и гигантских магниторезистивных (1997 год) головок еще больше уско рили увеличение поверхностной плотности записи. За 45 лет, прошедших с момента появления первых устройств магнитного хранения данных, поверхностная плотность записи выросла более чем в пять миллионов 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 коэрцитив ностью и записи с вертикальной поляризацией, позволит увеличить плотность записи до 200 Гбит/дюйм2 и более. Одна из перспективных технологий недалекого будущего — голо графические устройства хранения информации, в которых данные записываются с помощью лазера в “трехмерном пространстве” (кристаллические пластина или куб).

На рис. 9.11 показан график увеличения поверхностной плотности записи устройств маг нитного хранения данных с момента их первого появления до настоящего времени. Дальнейшее повышение поверхностной плотности записи связано с созданием новых ти пов носителей (с использованием некристаллических стекловидных материалов) и конструк ций головок, с применением метода псевдоконтактной записи, а также более совершенных методов обработки сигналов. Для достижения более высокого уровня поверхностной плотно сти необходимо создать такие головки и диски, которые могли бы функционировать при ми нимальном зазоре между ними. В современных устройствах этот зазор составляет около 10 нм (для сравнения: толщина волоса человека обычно достигает 80 нм).