Физика процессов в магнитных носителях

Цифровая магнитная запись, применяемая в компьютерной технике, производится на магниточувствительный (ферромагнитный) материал. К таким материалам от­носятся некоторые разновидности оксидов железа, никель, кобальт, их сплавы и другие материалы. Магнитное покрытие очень тонкое (до доль микрометров). Причем, чем тоньше покрытие, тем выше качество записи. Покрытие наносится на немагнитную подложку, в качестве которой для магнитных лент и гибких дисков используются различные пластмассы, а для жестких дисков — алюминиевые и стеклокерамические круглые диски. Магнитное покрытие диска имеет доменную структуру, т. е. состоит из множества мельчайших зон, намагниченных определенным образом.

Магнитный домен  — это очень маленькая однородно намагниченная область, отделенная от соседних областей тонкими переходными слоями (доменными границами).

При протекании тока в сердечнике головки возникает магнитный поток. Под воздействием этого внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с направлением магнитных силовых линий. После прекращения воздействия внешнего поля на поверхности до­мена образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом на дис­ке сохраняется информация о действовавшем магнитном поле в виде наличия или отсутствия напряжения в бинарной форме. Изменение направления тока, которым производится запись, вызывает соответствующее изменение направле­ния магнитного потока в сердечнике головки, что приводит к появлению на поверхности носителя участков с противоположной ориентацией маг­нитных диполей (изменение полярности тока приводит к изменению полярности диполей).

При считывании зоны остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напро­тив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижу­щую силу (э.д.с.). Изменение направления э.д.с. в течение некоторого проме­жутка времени отождествляется с двоичной единицей, а отсутствие этого изменения — с нулем. Происходит ли смена направления магнитного потока от положительного к отрицательному или обратно — это не принципиально, имеет значение только сам факт его изменения. Напряженность магнитного поля, необходимая для перемагничивания магнитного материала, называется коэрцитивной силой. Чем больше коэрцитивная сила, тем более сильное магнитное поле требуется для перемагничивания материала, поэтому магнитные поверхности стремятся сделать максимально тонкими.

Для записи информации на магнитную поверхность лент и дисков применя­ется один и тот же способ. Поверхность рассматривается как последователь­ность точечных позиций (dot positions), каждая из которых ассоциируется с битом информации. Поскольку расположение этих позиций определяется неточно, для записи требуются заранее нанесенные метки, которые помо­гают находить необходимые позиции записи. Чтобы нанести такие синхро­низирующие метки, диски должны быть предварительно отформатирова­ны (т. е. должно быть произведено логическое разбиение диска на дорожки и секторы). Таким образом, можно сделать вывод, что в каждом секторе находится четыре тысячи доменов.

Последовательность доменов с определенным порядком записанных в них синхронизующих и служебных битов, а также битов данных представляет собой кодирование данных.

Методы кодирования информации на магнитных дисках

Как правило, улучшение характеристик и увеличение популярности того или иного носителя в 60% случаев вызывается совершенствованием методов кодирования информации.

Рассмотрим четыре самых распространенных метода, которые использовались для записи информации на магнитные диски, для того чтобы оценить их достоинства и недостатки.

Метод FM

В первых моделях накопителей на гибких магнитных дисках диаметром 133 мм (5,25”) информация записывалась только на одной стороне диска. Использование при записи частотно-моду­лированных FM (Frequency Modulation) сигналов ограничивало общий объем диска (110 Кбайт).

Кодирование с применением FМ-сигналов принято называть кодированием с единичной плотностью. При записи с использованием этого метода в нача­ле битовых элементов записываются биты синхронизации, а после них — биты данных. Битовый элемент определяется как минималь­ный интервал времени (такт) между битами данных. В данном случае каждый битовый элемент (такт) имеет длительность 8 мкс; бит данных записыва­ется в середине битового элемента, через 4 мкс после начала бита синхронизации. Длительность битового элемента, определяемая частотой следова­ния синхроимпульсов, постоянна, что упрощает кодирование и декодирова­ние. Наличие бит синхронизации является главным недостатком метода FM — почти половина полезной емкости диска расходуется на запись служебной информации. Это метод кодирования с возвратом к нулю.

В 1977 г., благодаря ряду улучшений FM-метода, объем информации, записываемой на диск 5,25", возрос до 500 Кбайт. Этот метод кодирования в HDD не использовался.

Методы MFM и М²FМ

Самые распространенные в прошлом десятилетии методы кодирования известны как моди­фицированная частотная модуляция MFM и миллеровской модифицированной частотной модуляции М²FМ. После внедрения двусторонней записи на магнитные диски по методу MFM или М²FМ оказалось возможным хранить на одном диске более 1 Мбайт данных. По этой причине, диски, записанные по этим методам называют дисками двойной плотности. Эти методы несовместимы, но очень похожи по своей сути.

Оба выше обозначенных метода кодирования подразумевают один и тот же метод записи — без возвращения к нулю с инверсией NRZ (No Return to Zero). Запись по методу NRZ осуществляется путем изменения направления тока в обмотке магнитной головки на противоположную. Методы кодирования сами по себе не вли­яют на изменения направления тока, а лишь задают их очередность.

Метод MFM позволяет вдвое увеличить продольную плотность записи. Дли­тельность битового элемента сокращается до 4 мкс, а биты синхронизации записываются только в начало ячеек с нулевым битом данных, и лишь в том случае, если в предшествующем и текущем бито­вых элементах не были записаны биты данных. Единица в любой последовательности вызывает смену полярности.

Метод М²FM еще более снизил число изменений направления тока — в случае длинной последовательности нулей происходит всего одна смена направления тока на каждые два битовых элемента. Но такое уменьшение числа импуль­сов затрудняет осуществление синхронизации и не приводит к значительно­му увеличению емкости диска или скорости передачи данных, поэтому метод М²FM в настоящее время не используется.

Метод RLL

Дальнейшим развитием и «клоном» вышеописанных методов кодирования стал RLL. Кодирование с ограничением длины поля записи (RLL – Run Length Limited) начал использоваться в конце 80-х и на сегодняшний день является самым популярным методом кодирования. Возможно, он не является самым совершенным, но притом он обеспечивает одну из самых высоких плотностей записи при достаточно высокой надежности. Он позволяет разместить в полтора раза больше информации на носителе, чем метод MFM и в 3 раза больше, чем при FM-кодировании. Исполь­зование метода RLL позволяет увеличить емкость диска еще на 170 Кбайт по сравнению с емкостью при записи с применением метода М²FM.

Данный метод использует принципы MFM, но кодирует не отдельные биты, а целые группы по определенному закону, где каждая комбинация,  в зависимости от ее месторасположения, дает 2 битовых элемента. В результате создаются целые последовательности зон смены знака.

При использовании метода RLL скорость передачи данных возрастает с 250 до 380 Кбайт/с, а длительность битового элемента уменьшается до 2,6 мкс. Кодированные этим способом данные могут записываться с большей продоль­ной плотностью, чем при других методах кодирования.

Существует много вариантов RLL, основные из которых 1.7; 2.7; 3.9. Самым популярным является RLL 2,7, обеспечивающим высокую плотность (в 1,5 раза больше, чем MFM) и среднюю надежность. Цифры в обозначении кода соответствуют максимальной и минимальной дли­не последовательности нулей (ячеек перехода), содержащихся в кодовом слове между сосед­ними зонами смены знака. Соответственно, FM и MFM можно назвать частными случаями RLL и обозначить как 0,1 и 1,3. Например, последний означает, что между двумя зонами смены знака может располагаться от 1 до 3 ячеек перехода знака.

Дальнейшим развитием метода кодирования RLL является метод ARLL (RLL 3.9), заклю­чающийся в том, что наряду с логическим уплотнением данных производится увеличение скорости обмена данными между накопи­телями и контроллером.

В жестких дисках выше плотность записи и больше скорость обмена, чем в дискетах. При MFM-кодировании обмен производится с внутренней скоростью 5 Мбайт/с, при RLL-кодировании — 7,5 Мбайт/с, при ARLL — около10 Мбайт/с. Некоторые фирмы приме­няют еще более совершенные методы кодирования, что приводит к увели­чению скорости обмена данными. Например, компания Samsung Electronics объявила о применении нового метода цифровой записи PRML (Partial Response Maximum Likelihood — алгоритм частного срабатывания по максимальной вероятности), который позволяет повысить плотность записи данных благодаря улучшенной цифровой системе фильтрации, а также по­высить производительность за счет увеличения скорости обмена данными. В этом методе происходит предвыборка и анализ мгновенных значений напряжений, а затем фильтрация и «выведение полезного» сигнала цифровым способом. Таким образом, можно повысить плотность записи данных на 40%.

Александр Дудкин