Как магнитное поле используется для хранения данных

В основе работы магнитных носителей — накопителей на жестких и гибких дисках — лежит такое явление, как электромагнетизм. Суть его состоит в том, что при пропускании через проводник электрического тока вокруг него образуется магнитное поле (рис.1.1). Это поле воздействует на оказавшееся в нём ферромагнитное вещество. При изме­нении направления тока полярность магнитного поля также изменяется.

Однако существует и противоположный эффект: в проводнике, на который воздейству­ет переменное магнитное поле, возникает электрический ток. При изменении полярности магнитного поля изменяется и направление электрического тока (рис.1. 2). Благодаря такой взаимной симметрии электрического тока и магнитного поля существует возможность записывать, а затем считывать данные на магнитном носителе.

 

 

 

Головка чтения/записи в любом дисковом накопителе состоит из U-образного фер­ромагнитного сердечника и, намотанной на него катушки (обмотки), по которой может протекать электрический ток. При пропускании тока через обмотку в сердечнике (магнитопроводе) головки создается магнитное поле (рис. 1.3). При переключении направления протекающего тока полярность магнитного поля также изменяется. В сущности, головки представляют собой электромагниты, полярность который можно очень быстро изменить, переключив направление пропускаемого электрического тока.

Магнитное поле в сердечнике частично распространяется в окружающее простран­ство благодаря наличию зазора в основании буквы U. Если вблизи зазора располагается другой ферромагнетик (рабочий слой носителя), то магнитное поле в нем локализуется, 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 поля и, следовательно, остаточная намагниченность носителя зависят от полярности электрического 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, создаваемые отдельными доменами на чистом диске, ориентированы случайным образом и взаимно компенсируются на любом сколько-нибудь протяженном участке поверхности 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 появляется остаточная намагниченность, которую можно впоследствии обнаружить. Вы­ражаясь научным 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 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 записи каждого бита (или битов) данных в специальных областях на диске располага­ются последовательности 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 скорости, 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 специального кодирую­щего устройства преобразуется в серию электрических сигналов, не являющихся точной копией исходной последовательности импульсов.

При записи напряжение прилагается к головке, и по мере изменения его полярности регистрируемая полярность магнитного поля также изменяется. Зоны смены знака запи­сываются (регистрируются) в тех точках, в которых происходит изменение полярности. Это может показаться 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. 1.4 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, соответ­ствующие положительным или отрицательным значениям напряжения, которые приводят к поляризации магнитного носителя в том или ином направлении. Когда меняется по­лярность напряжения, остаточная намагниченность диска также изменяет полярность. Во время считывания головка регистрирует зоны смены знака и выдает соответствующие импульсы. Другими словами, сигнал соответствует нулевому напряжению, если не обна­ружены переходы от положительного знака к отрицательному или наоборот. Импульсы появляются только в тех случаях, когда головка пересекает зоны смены знака на маг­нитном носителе. Зная тактовую частоту, схема устройства или контроллера определяет, попадает ли импульс в данную ячейку перехода.

Итак, запись и считывание информации с диска основаны на принципах электромаг­нетизма. При записи данных на диск электрический ток пропускается через электромаг­нит (головку устройства), в результате чего создаются зоны намагниченности, которые и сохраняются на диске. Данные считываются с диска при перемещении головки над его

поверхностью; при этом головка регистрирует изменения в зонах намагниченности и в результате генерирует слабые электрические сигналы, указывающие на наличие или отсутствие зон смены знака в записанных сигналах.

Для усиления сигнала использу­ются высокочувствительные устройства. После усиления сигнал поступает на декодиру­ющие схемы, которые предназначены для восстановления потока данных, идентичного потоку, поступавшему на накопитель при выполнении записи.

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 отрицательный — в противоположном. Когда меняется по­лярность записываемого сигнала, происходит также изменение полярности магнитных доменов.

Если во время воспроизведения головка регистрирует группу магнитных доменов оди­наковой полярности, она не генерирует никаких сигналов.

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 электрические сигналы, оптимизированные в контексте размещения зон смены знака на дорожке записи. Во время считывания кодер/декодер выполняет обратное преобразование: восстанавливает из сигнала последовательность двоичных данных.

При работе с цифровыми данными особое значение приобретает синхронизация. Во время считывания или записи очень важно точно определить момент каждой смены знака. Если синхронизация отсутствует, то момент смены знака может быть определен неправильно, в результате чего неизбежна потеря или искажение информации. Чтобы предотвратить это, работа передающего и принимающего устройств должна быть строго синхронизирована. Существует два пути решения данной проблемы. Во-первых, синхро­низировать работу двух устройств, передавая 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. Простейший способ сделать это — перед передачей ячейки данных послать синхрони­зирующий сигнал. Применительно к магнитным носителям это означает, что, например, ячейка, содержащая 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 единиц), 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 накопителей 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 разнообразных методов, сегодня реально ис­пользуются только три из них:

•частотная модуляция (FM);

•модифицированная частотная модуляция (MFM);

•кодирование с ограничением длины поля записи (RLL).