Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Федеральное агентство связи
Федеральное государственное образовательное
бюджетное учреждение высшего профессионального
образования «Поволжский государственный университет
телекоммуникаций и информатики»
___________________________________________________
Кафедра радиосвязи, радиовещания и телевидения
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе
«Исследование жестких дисков»
по дисциплине «Устройство записи и хранения аудио и видео информации» для студентов 5 курса специальности
210302 «Радиотехника»
Подготовили:
к.т.н., доц. Горчаков Б.М.
к.т.н., доц. Нагорная М.Ю.
Самара 2012
|
[1] Оглавление [2] 1. Цели работы [3] 2. Содержание работы [4] 3. Содержание отчета [5] [6] 4. Теоретические сведения
[7]
[8] [9] 7. Контрольные вопросы |
Рассмотреть устройство, составе, способы изготовления жестких дисков, рассчитать нормированную АЧХ уровня ЭДС головки воспроизведения, изучить кодирование данных методами: MF, MFM, RLL.
1. Ознакомиться с теоретическими сведениями об устройстве, составе, способах изготовления жестких дисков.
2. Пройти тестирование на усвоение теоретического материала.
3. Рассчитать нормированную АЧХ уровня ЭДС головки воспроизведения по предложенной методике, построить график нормированной АЧХ.
4. Изучить способы кодирования данных методами MF, MFM, RLL.
5. Привести согласно своему варианту сигналы формируемые во время записи ASCII кода символа «Х» при способах кодирования FM, МFM и RLL 2,7
ЖЁСТКИЙ ДИСК ВИНЧЕСТЕР (HDD HARD DIGITAL DISK)
Рис. 1.1. Вид накопителя на жестких дисках
Первый жесткий диск, 1983 год: 10 Мбайт (обратите внимание: не 10 Гбайт а 10 Мбайт); 5,25-дюймовый (130 мм) жесткий диск
Для сравнения: 2004 г.: 3.5-дюймовые жесткие диски, ёмкость 180 Гбайт. Емкость 2,5-дюймовых дисководов (портативные компьютеры) – 60 Гбайт.
4.1 Принципы работы накопителей на жестких дисках
В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсаль ными головками чтения/записи с поверхности вращающихся магнитных дисков, разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый), как показано на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Дорожки и секторы накопителя на жестких дисках
В накопителях устанавливается несколько дисков (два или три, иногда до 11 и более), данные записываются на обеих сторонах каждого из них. Одинаково расположенные дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (рис. 1.3). Все головки смонтированы на общем стержне, или стойке, поэтому головки могут перемещаться только синхронно.
Рис. 1.3. Цилиндр накопителя на жестких дисках
Частота вращения жестких дисков составляет (2004 г.) 5 400, 5 600, 6400, 7 200, 10000 об/мин и даже 15 000 об/мин. Большинство
При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются) дисков. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающе гося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка столкнется с диском. Последствия: от потери нескольких байтов данных до выхода из строя всего накопителя. Поэтому в большинстве накопителей поверхно сти магнитных дисков легируют и покрывают специальными смазками, что позволяет устройствам выдерживать "взлеты" и "приземления" головок.
В некоторых наиболее современных накопителях вместо конструкции CSS (Contact Start Stop) используется механизм загрузки/разгрузки, который не позволяет головкам входить в контакт с жесткими дисками даже при отключении питания накопителя.
Плотность дорожек — до 64 400 и более на дюйм (IBM Travelstar 60GH). Блоки HDA (Head Disk Assembly — блок головок и дисков) собирают в специальных цехах, в условиях практически полной стерильности.
Геометрические размеры:
- величина зазора между диском и головкой – 15 нм;
-длина головки – 1,41 мм;
-ширина — 0,97 мм;
-высота — 0,3 мм:
- скорость – 27,5 м/с.
4.2. Дорожки и секторы
Дорожка — это одно "кольцо" данных на одной стороне диска. Дорожки на диске разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами.
Количество секторов может быть\ от 380 до 700. Ёмкость сектора –512 байт (общее количество байтов в секторе — 571; количество байтов данных в секторе — 512).
Практически во всех накопителях IDE и SCSI используется так называемая зонная запись с переменным количеством секторов на дорожке. Дорожки, более удаленные от центра, а значит, и более длинные содержат большее число секторов, чем близкие к центру.
Пример: жесткий диск IBM Travelstar 32GH емкостью 32 Гбайт и размером 2,5 дюйма для портативных компьютеров.
Рис. 1.4. Количество секторов одинаково на всех дорожках
Рис. 1.5. Зонная запись: количество секто ров на дорожках изменяется
Этот накопитель имеет 21 664 дорожек на каждой поверхности диска; дорожки разде лены на 15 зон по 1 354 в каждой. В нулевой зоне содержится наибольшее количество сек торов — 617 на каждую дорожку. Каждая дорожка в этой зоне имеет размер 315 904 байт, а дорожка в 15-й зоне содержит только 167424 байт. При использовании метода зонной записи каждая поверхность диска содержит 10225408 секторов (5235 байт на сторо ну). Если не использовать метод зонной записи, то каждая дорожка будет ограничена 327 секторами и, таким образом, каждая поверхность диска будет содержать 7 084128 сек торов, или 3 627 Мбайт. Выигрыш при использовании метода зонной записи составляет около 44%.
Обратите внимание на различия в скорости передачи данных для каждой зоны. До рожки во внешней зоне (нулевой) имеют скорость передачи данных 28,49 Мбайт/с, что на 89% больше, чем 15,10 Мбайт/с во внутренней зоне (15).
4.3.Диски
Обычно в накопителе содержится один или несколько магнитных дисков. Ряд стандартных размеров дисков:
5,25 дюйма (на самом деле — 130 мм, или 5,12 дюйма);
3,5 дюйма (на самом деле — 95 мм, или 3,74 дюйма);
2,5 дюйма (на самом деле — 65 мм, или 2,56 дюйма);
1 дюйм (на самом деле — 34 мм, или 1,33 дюйма).
Существуют также накопители с дисками больших размеров, например 8 дюймов, 14 дюймов и даже больше, но, как правило, эти устройства в персональных компьютерах не используются.
Раньше почти все диски производились из алюминиевого сплава. Сейчас в качестве основного материала для дисков стало ис пользоваться стекло, а точнее, композитный материал на основе стекла и керамики. Один из таких материалов называется МетСоr и производится компанией Dow Corning. Он зна чительно прочнее, чем каждый из его компонентов в отдельности. Стеклянные диски отли чаются большей прочностью и жесткостью.
4.4. Рабочий слой диска
Основа диска покры вается тонким слоем вещества, способного сохранять остаточную намагниченность после воздействия внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным, и именно в нем сохраняется записанная информация. Типы рабочего слоя:
-оксидный (устарел);
-тонкопленочный;
-двойной антиферромагнитный (antiferromagnetically coupled — AFC).
Чем выше емкость накопителя, тем более тонким и гладким должен быть рабочий слой дисков.
4.4.1.Тонкопленочный слой
Тонкопленочный рабочий слой имеет меньшую толщину, он прочнее, и качество его покрытия гораздо выше. Эта технология легла в основу производства накопителей нового поколения, в которых удалось существенно уменьшить величину зазора между головка ми и поверхностями дисков, что позволило повысить плотность записи.
Тонкопленочный рабочий слой называют также гальванизирован ным или напыленным, поскольку наносить тонкую пленку на поверхность дисков можно по-разному.
Тонкопленочный гальванизированный рабочий слой получают путем электролиза. Это происходит почти так же, как при хромировании бампера автомобиля. Алюминиевую под ложку диска последовательно погружают в ванны с различными растворами, в результате чего она покрывается несколькими слоями металлической пленки. Рабочим слоем служит слой из сплава кобальта толщиной всего около 1 микродюйма (приблизительно 0,025 мкм).
Метод напыления рабочего слоя заимствован из полупроводниковой технологии. Суть его сводится к тому, что в специальных вакуумных камерах вещества и сплавы вначале переводятся в газообразное состояние, а затем осаждаются на подложку. На алюминиевый диск сначала наносится слой фосфорита никеля, а затем магнитный кобальтовый сплав. Его толщина при этом оказывается равной всего 1-2 микродюйма (0,025-0,05 мкм).
Аналогично поверх магнитного слоя на диск наносится очень тонкое (порядка 0,025 мкм) углеродное защитное покрытие, обладающее исключительной прочностью. Это самый дорогостоящий процесс из всех описанных выше, так как для его проведения необходимы условия, приближенные к полному вакууму.
Как уже отмечалось, толщина магнитного слоя, полученного методом напыления, составляет около 0,025 мкм. Его исключительно гладкая поверхность позволяет сделать зазор между головками и поверхностями дисков гораздо меньшим, чем это было возможно раньше (0,076 мкм). Чем ближе к поверхности рабочего слоя располагается головка, тем выше плотность расположения зон смены знака на дорожке записи и, следовательно плотность диска. Кроме того, при увеличении напряженности магнитного поля по мере приближения головки к магнитному слою увеличивается амплитуда сигнала; в результате соотношение "сигнал-шум" становится более благоприятным.
И при гальваническом осаждении, и при напылении рабочий слой получается очень тонким и прочным. Поэтому вероятность "выживания" головок и дисков в случае их контакта друг с другом на большой скорости существенно повышается. И действительно современные накопители с дисками, имеющими тонкопленочные рабочие слои, практи чески не выходят из строя при вибрациях и сотрясениях. Оксидные покрытия в этом отношении гораздо менее надежны. Если бы вы смогли заглянуть внутрь корпуса нако пителя, то увидели бы, что тонкопленочные покрытия дисков напоминают серебристую поверхность зеркал.
4.4.2. Двойной антиферромагнитный слой
Последним достижением в технологии изготовления носителей жестких дисков явля ется использование антиферромагнитных двойных слоев (antiferromagnetically coupled — AFC), позволяющих существенно увеличить плотность рабочего слоя, превысив наложен ные ранее ограничения. Увеличение плотности материала дает возможность уменьшить толщину магнитного слоя диска. Плотность записи жестких дисков (которая выражается в количестве дорожек на дюйм или в числе бит на дюйм) достигла той точки, в которой кристаллы магнитного слоя, используемые для хранения данных, становятся настолько малы, что это приводит к их нестабильности и, как следствие, к низкой надежности запо минающего устройства. Границы плотности, получившие название суперпарамагнитного ограничения, должны находиться в пределах от 30 до 50 Гбит/квадратный дюйм. В на стоящее время плотность записи данных уже достигла 35 Гбит/квадратный дюйм, т.е. суперпарамагнитное ограничение становится довольно существенным фактором, опреде ляющим свойства создаваемых накопителей.
AFC-носители состоят из двух магнитных слоев, разделенных довольно тонкой плен кой металлического рутения, толщина которой 3 атома (6 ангстрем). Для описания этого сверхтонкого слоя рутения использовался шутливый термин "pixie dust" (пыльца эльфов придуманный в IBM. Подобная многослойная конструкция образует антиферромагнит ное соединение, состоящее из верхнего и нижнего магнитных слоев, что позволяет различать магнитные слои (верхний и нижний) по всей видимой высоте жесткого диска. Такая конструкция дает возможность использовать физически более толстые магнитные и, имеющие более устойчивые кристаллы большого размера, благодаря чему носители могут функционировать как ординарный слой, отличающийся гораздо меньшей общей толщиной.
В 2001 году компания IBM использовала AFC-технологию при создании целой серии 2,5-дюймовых накопителей Travelstar 30GN для портативных компьютеров; жесткие диски этого типа стали первыми накопителями с рабочим слоем AFC, появившимися на рынке. Кроме того, IBM начала создавать 3,5-дюймовые накопители с рабочим слоем AFC, используемые в настольных компьютерах. Первым накопителем этого типа стал Deskstar 120 GXP. Я полагаю, что вскоре и другие производители начнут изготавливать жесткие диски по этой технологии. Использование рабочего слоя AFC позволит, как ожидается, повысить плотность записи данных до 1000 Гбит/квадратный дюйм и более.
4.5. Головки чтения/записи
В накопителях на жестких дисках для каждой из сторон каждого диска предусмотрена собственная головка чтения/записи. Все головки смонтированы на общем подвижном каркасе и перемещаются одновременно.
Конструкция каркаса с головками довольно проста. Каждая головка установлена на конце рычага, закрепленного на пружине и слегка прижимающего ее к диску. Мало кто знает о том, что диск как бы зажат между парой головок (сверху и снизу). И если бы это не повлекло за собой никаких последствий, можно было бы провести небольшой эксперимент: открыть накопитель и приподнять пальцем верхнюю головку. Как только бы вы ее отпустили, она вернулась бы в первоначальное положение (то же самое произошло бы и с нижней головкой).
Когда накопитель выключен, головки касаются дисков под действием пружин. При раскручивании дисков аэродинамическое давление под головками повышается и они отрываются от рабочих поверхностей ("взлетают"). Когда диск вращается на полной скорости, зазор между ним и головками может составлять 0,5-5 микродюймов и даже больше.
В начале 1960-х годов величина зазора между диском и головками составлял 200-300 микродюймов; в современных накопителях она достигает 10 нанометров или 0 4 микродюйма.
4.5.1. Конструкции головок чтения/записи
По мере развития технологии производства дисковых накопителей совершенствова лись и конструкции головок чтения/записи. Первые головки представляли собой сердечники с обмоткой (электромагниты). По современным меркам их размеры были огромны ми, а плотность записи — чрезвычайно низкой. За прошедшие годы конструкции головок прошли долгий путь развития от первых головок с ферритовыми сердечниками до современных гигантских магниторезистивных моделей.
4.6. История прогресса накопителей
1956 — продажа первого коммерческого жёсткого диска, IBM 350 RAMAC, 5 Мб. Он весил около тонны, занимал два ящика - каждый размером с большой холодильник, а общий объем памяти 50 вращавшихся в нем покрытых чистым железом тонких дисков диаметром с большую пиццу составлял 5 мегабайтов
1980 — первый 5,25-дюймовый Winchester, Shugart ST-506, 5 Мб
1986 — Стандарт SCSI
1991 — Максимальная ёмкость 100 Мб
1995 — Максимальная ёмкость 2 Гб
1997 — Максимальная ёмкость 10 Гб
1998 — Стандарты UDMA/33 и ATAPI
1999 — IBM выпускает Microdrive ёмкостью 170 и 340 Мб
2002 — Взят барьер адресного пространства выше 137 Гб
2003 — Появление SATA
2005 — Максимальная ёмкость 500 Гб
2005 — Стандарт Serial ATA 3G
2005 — Появление SAS (Serial Attached SCSI)
2006 — Применение перпендикулярного метода записи в коммерческих накопителях
2006 — Появление «гибридных» жёстких дисков, содержащих дополнительный блок флэш-памяти ёмкостью в единицы гигабайт
2007 — Hitachi представляет накопитель емкостью 1000 Гб
4.7. Скорость вращения диска
Обычно современные жесткие диски имеют скорость вращения от 5400 до 7200 об/м. Чем выше скорость вращения, тем выше скорость обмена данными. При возрастании скорости вращения увеличивается температура корпуса жесткого диска и диски со скоростью 7200 об/мин требуют либо применения корпуса с продуманной для целей отвода тепла конструкцией, либо дополнительного охлаждения внешним вентилятором собственно диска. Еще более высокооборотные диски со скоростью вращения 10000 об/мин, которые сейчас выпускают все без исключения фирмы-производители, требуют как хорошей вентиляции внутри корпуса, так и "правильного" корпуса, хорошо отводящего тепло. Жесткие диски на 15000 об/мин без принудительного обдува просто не рекомендуется использовать.
4.8. Количество секторов на дорожке
Современные жесткие диски имеют различное количество секторов на дорожке в зависимости от того, внешняя ли это дорожка или внутренняя. Внешняя дорожка длиннее и на ней можно разместить больше секторов, чем на более короткой внутренней дорожке. Данные на чистый диск начинают записываться также с внешней дорожки.
4.9. Время поиска/время переключения головок/время переключения между цилиндрами
Время поиска (seek time) минимально только в случае необходимости операции с дорожкой, которая является соседней с той, над которой в данный момент находится головка. Наибольшее время поиска соответственно при переходе с первой дорожки на последнюю. Как правило, в паспортных данных на жесткий диск указывается среднее время поиска (average seek time).
Все магнитные головки диска находятся в каждый момент времени над одним и тем же цилиндром, и время переключения определяется тем, насколько быстро выполняется переключение между головками при чтении или записи.
Время переключения между цилиндрами - это время, требуемое для перемещения головок на один цилиндр вперед или назад.
Все времена указываются в документации на жесткие диски в миллисекундах (ms).
4.10. Задержка позиционирования
После того, как головка оказывается над желаемой дорожкой, она ждет появления требуемого сектора на этой дорожке. Это время называется задержкой позиционирования и также измеряется в миллисекундах (ms). Среднее время задержки позиционирования считается как время поворота диска на 180 градусов и, поэтому зависит только от скорости вращения шпинделя диска.
Конкретные данные по величине задержки сведены в таблицу.
|
Скорость вращения, об/мин |
Задержка, миллисекунды |
|
3600 |
8.3 |
|
4500 |
6.7 |
|
5400 |
5.7 |
|
7200 |
4.2 |
|
10000 |
3.3 |
4.11. Время доступа к данным
Время доступа к данным - это комбинация из времени поиска, времени переключения головок и задержки позиционирования, измеряется также в миллисекундах (ms). Время поиска – это только показатель того, как быстро головка оказывается над нужным цилиндром. До тех пор, пока данные не записаны или считаны, следует добавить время на переключение головок и на ожидание необходимого сектора.
4.12. Кэш-память на жестком диске
Как правило, на всех современных жестких дисках есть собственная оперативная память, называемая кэш-памятью (cache memory) или просто кэшем. Производители жестких дисков часто называют эту память буферной. Размер и структура кэша у фирм-производителей и для различных моделей жестких дисков существенно отличаются. Обычно кэш память используется как для записи данных так и для чтения. Размер кэша не является определяющим для оценки эффективности его работы. Организация обмена данными с кэшем более важна для повышения быстродействия диска в целом.
4.13. Размещение данных на диске
Конфигурация диска задается через количество цилиндров, головок и секторов на дорожке. Существует несколько способов физического сохранения данных на жестком диске.
Обычные жесткие диски используют "вертикальное" отображение. Данные записываются сначала на одном цилиндре сверху вниз, затем головки переходят на другой цилиндр и т.д.
При "горизонтальном" отображении сначала данные записываются последовательно от цилиндра к цилиндру на поверхности одного диска, затем также на поверхности следующего диска и т.д. Такой способ лучше подходит для записи непрерывного высокоскоростного потока данных, например, при записи "живого" видео. Комбинированный способ отображения, использующий как "вертикальный" так и "горизонтальный" способ.
При тестировании таких дисков видно, что чем дальше от начальных цилиндров, тем хуже параметры диска. Это связано с тем, что на внешних дорожках 10 размещается больше секторов и считывание/запись выполняется быстрее.
Реально диск разделен на зоны, в каждую из которых входит обычно от 20 до 30 цилиндров с одинаковым количеством секторов. Эти зоны также называются "notches".
Чем выше плотность записи на диск, тем выше будет скорость считывания с него. Именно поэтому при оценке параметров диска следует внимательно 8смотреть на внутреннюю скорость передачи данных. Внутренняя скорость передачи данных прямо пропорциональна плотности записи на диск и скорости вращения шпинделя. Так как увеличивать скорость вращения диска достаточно сложно - увеличивается энергопотребление, шум, возникают проблемы с теплоотводом, то наиболее оптимальный путь повышения производительности - это увеличение плотности записи на диск. Поэтому современный жесткий диск со скоростью вращения 5400 об/мин опережает по производительности диск с 7200 об/мин, выпущенный двумя годами ранее. Все производители жестких дисков в первую очередь и заняты проблемой повышения плотности записи. При прочих равных условиях, из двух накопителей равной емкости быстрее будет работать накопитель с меньшим количеством дисков, т.е. с большей плотностью записи.
4.14. S.M.A.R.T.
Эта аббревиатура все чаще встречается при указании технических характеристик жестких дисков.
Идея S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technolodgy - технология самоанализа и информирования) технологии заключается в создании механизма предсказания возможного выхода из строя жесткого диска и предотвращения тем самым потери данных. 12
У производителей жестких дисков достаточно много степеней свободы, так как именно они присваивают граничные значения (thresholds) всем параметрам. Если хотя бы один параметр ушел за граничные значения, то накопитель желательно заменить.
В силу некоторой ограниченности технологии S.M.A.R.T (пользователь ставится перед свершившимся фактом - диск почти сломался, его осталось только заменить), появились расширения способов предотвращения потери данных, разработанных отдельными фирмами-производителями жестких дисков
Технология Data LifeguardTM фирмы Western Digital. Основная ее идея - проверка через каждые восемь часов работы поверхности всего диска, выявление секторов, которые могут стать плохими и перенос информации на резервные нормальные области диска. Эти операции выполняются в паузах (которые составляют до 90% времени работы диска) и никак не снижают производительность компьютера. Совместимость с S.M.A.R.T тем не менее полностью сохраняется. Впервые Data LifeguardTM была применена в накопителе AC310100.
Фирма Quantum применила свою фирменную технологию Data Protection System (DPS), которая позволяет выявить возможные дефекты и во многих случаях устранить их. Quantum утверждает, что ее диагностическая программа способна "лечить" все диски, выпущенные этой компанией с июня 1996 года.
Исходные данные для расчета:
|
Параметр |
Вариант |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
Диаметр диска, дюйм |
3,5 |
2,5 |
1,0 |
3,5 |
2,5 |
|
Диаметр диска, gmax ,мм |
95 |
65 |
34 |
95 |
65 |
|
Минимальный диаметр зоны записи, gmin ,мм |
40 |
35 |
20 |
40 |
35 |
|
Угловая скорость, F, об/мин |
7200 |
10000 |
15000 |
10000 |
7200 |
|
Ширина рабочего зазора магнитной головки, b, нм |
90 |
70 |
60 |
80 |
80 |
|
Толщина рабочего слоя, d, нм |
35 |
30 |
25 |
35 |
30 |
|
Ширина «неконтакта», a, нм |
40 |
30 |
25 |
35 |
30 |
|
Плотность дорожек, η, дор/мм |
2500 |
2500 |
3000 |
2200 |
2400 |
|
Параметр |
Вариант |
||||
|
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
Диаметр диска, дюйм |
1,0 |
3,5 |
2,5 |
1,0 |
5,25 |
|
Диаметр диска, gmax ,мм |
34 |
95 |
65 |
34 |
130 |
|
Минимальный диаметр зоны записи, gmin ,мм |
20 |
40 |
35 |
20 |
50 |
|
Угловая скорость, F, об/мин |
10000 |
6400 |
15000 |
6400 |
5600 |
|
Ширина рабочего зазора магнитной головки, b, нм |
75 |
100 |
90 |
80 |
110 |
|
Толщина рабочего слоя, d, нм |
25 |
35 |
30 |
25 |
35 |
|
Ширина «неконтакта», a, нм |
25 |
40 |
35 |
30 |
45 |
|
Плотность дорожек, η, дор/мм |
2800 |
2400 |
2500 |
2600 |
2000 |
Расчёт нормированной АЧХ уровня ЭДС (в дБ) головки воспроизведения производится в соответствии с выражением:
, (8.3)
где e – значение ЭДС на данной частоте,
e0 – значение ЭДС на частоте 1 кГц.
ЭДС рассчитывается как:
; (8.4)
где w – число витков обмотки головки воспроизведения;
μ0 – магнитная постоянная ;
h – ширина дорожки записи в м;
d – толщина рабочего слоя магнитной ленты;
J1 – текущее значение остаточной намагниченности ленты;
ω – круговая частота , где f – значение частоты звукового сигнала;
Kb, Kd, Ka – коэффициенты щелевых, контактных и слойных потерь магнитного потока.
Первые пять коэффициентов w, μ0, h, d, J1 в выражении (8.4) не зависят от частоты. Поэтому при подстановке значений e и e0 в выражение (8.3) эти коэффициенты сократятся, что и рекомендуется произвести при расчёте NГВ.
Коэффициент щелевых потерь определяется как:
; (8.5)
где bЭ – эффективная ширина рабочего зазора головки воспроизведения;
λ – длина волны записи на магнитной ленте.
Следует иметь в виду, что аргумент синуса в (8.5) подставляется в радианах.
При отсутствии перекоса рабочего зазора головки воспроизведения:
; (8.6а)
При наличии перекоса:
; (8.6б)
где h – ширина дорожки записи в м;
α – угол перекоса рабочего зазора головки воспроизведения.
Длина волны записи на магнитной ленте:
; (8.7)
где vл– скорость движения носителя записи (магнитной ленты) относительно головки воспроизведения, в м/с.
Ширина дорожки записи во всех видах магнитной записи стандартизирована (за исключением систем цифровой записи на жёсткий диск HDD) и зависит от ширины магнитной ленты и числа дорожек записи. Для звуковых катушечных магнитофонов, в которых используется магнитная лента шириной 6,25 мм, h1=6,25мм при однодорожечной записи, h2=2,75мм и h4=1,0 мм соответственно при двух- и четырёхдорожечной записи. В кассетных магнитофонах (лента шириной 3,81 мм) ширина дорожек записи соответственно h1=3,81мм, h2=1,5мм и h4=0,66 мм.
Коэффициент слойных потерь:
; (8.8)
где k – волновое число: .
Коэффициент контактных потерь:
; (8.9)
где a – зазор (неконтакт) между лентой и рабочей поверхностью головки воспроизведения.
Минимальная частота, на которой коэффициент Kb принимает нулевое значение, называется частотой f1 первого минимума головки воспроизведения:
(8.10)
Частотная характеристика ЭДС головки воспроизведения имеет вид, показанный на рисунке 1.6, график 5. Неравномерность частотной характеристики уровня ЭДС в рабочей полосе частот достигает 30…40 дБ.
Рисунок 1.6 Распределение искажений и их коррекция в сквозном канале магнитной записи-воспроизведения
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. Чтобы оптимальным образом расположить импульсы в сигнале записи, необработанные исходные данные пропускаются кодер/декодер (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. 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.
При передаче синхронизирующих сигналов вместе с данными синхронизация сохраняется даже в том случае, когда носитель содержит длинные цепочки совершенно одинаковых нулей. К сожалению, ячейки переходов, необходимые только для синхронизации процессов, занимают место на диске, которое могло бы использоваться для записи данных.
Сегодня реально используются только три метода кодирования: частотная модуляция (FM), модифицированная частотная модуляция (MFM) и кодирование с ограничением длины поля записи (RLL).
Частотная модуляция (FM) была разработана раньше других и записывалась на диски с одинарной плотностью в первых ПК. Емкость дискет с ЧМ составляла 70 кБ. Сейчас ЧМ не используется [6].
6.1. Модифицированная частотная модуляция (MFM)
При этом способе записи количество зон смены знака, используемых только для синхронизации, сокращается. Синхронизирующие переходы записываются только в начало ячеек с нулевым битом данных и только в том случае, если ему предшествует нулевой бит. Во всех остальных случаях синхронизирующая зона смены знака не формируется. Благодаря такому уменьшению количества зон смены знака при той же допустимой плотности их размещения на диске информационная емкость по сравнению с записью по методу FM удваивается. Скорость считывания и записи информации на носитель также удваивается.
Таблица 6.1. Последовательность зон смены знака при записи по методу MFM
|
Бит данных |
Последовательность зон смены знака |
|
1 |
NT* |
|
0 с предшествующим 0 |
TN |
|
0 с предшествующей 1 |
NN |
* T — смена знака есть; N — смены знака нет.
В табл. 6.1 приведено соответствие между битами данных и зонами смены знака.
6.2. Кодирование с ограничением длины поля записи (RLL)
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.
Термин Run Length Limited (с ограничением длины пробега) составлен из названий двух основных параметров, которыми являются минимальное (длина пробега) и максимальное (предел пробега) число ячеек перехода, которые можно расположить между двумя зонами 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.
До последнего времени самым популярным был метод RLL 2,7, поскольку он позволял достичь высокой плотности записи данных, но для накопителей очень большой емкости он недостаточно надежный. В большинстве современных жестких дисков высокой емкости используется метод RLL 1,7, который позволяет увеличить плотность записи в 1,27 раза по сравнению с MFM при этом он гораздо надежнее.
Рассмотрим метод RLL 2,7 в таблице 6.2. перекодировка различных последовательностей битов в серии зон смены знака, которая использовалась IBM при создании кодеров/декодеров.
Таблица 6.2. Последовательность зон смены знака при записи по методу RLL 2,7
|
Бит данных |
Последовательность зон смены знака |
|
10 |
NTNN* |
|
11 |
TNNN |
|
000 |
NNNTNN |
|
010 |
TNNTNN |
|
011 |
NNTNNN |
|
0010 |
NNTNNTNN |
|
0001 |
NNNNTNNN |
*Т — смена знака есть; N — смены знака нет.
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 последовательностей битов происходит так, чтобы расстояние между зонами смены знаков было не слишком маленьким, но и не очень большим.
Первое ограничение вызвано тем, что величины разрешений головки и магнитного носителя, как правило, являются фиксированными. Второе ограничение необходимо для того, чтобы обеспечить синхронизацию устройств.
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, установленный в контроллере, просто дописывает в конец последнего байта несколько дополнительных битов. При последующем считывании они отбрасываются, и последний байт воспроизводится таким, каким он должен быть.
6.3. Задание варианта
Привести согласно своему варианту сигналы формируемые во время записи ASCII кода символа «Х» при способах кодирования FM, МFM и RLL 2,7
Необходимо перевести число из десятичной системы в двоичную систему для получения байта данных
|
№ варианта |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Число в 10 системе с.и. |
200 |
210 |
220 |
230 |
240 |
250 |
255 |
260 |
270 |
275 |
6.4. Запись сигналов формируемые во время записи ASCII кода символа «Х» при способах кодирования FM, МFM и RLL 2,7.
Рисунок 6.1 Сигналы формируемые во время записи ASCII кода символа «Х» при способах кодирования FM, МFM и RLL 2,7.
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 положительных и отрицательных значений напряжения, причем в моменты смены полярности напряжения происходит запись зоны смены знака. В нижней строке показаны ячейки перехода, причем Т обозначает ячейку, содержащую зону смены знака, а N — ячейку, в которой зоны смены знака нет.
В каждой битовой ячейке в FM-кодировании содержится две ячейки перехода: одна для синхронизирующего сигнала, другая для самих данных. Все ячейки 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 будет записан в виде комбинации ТN. Значение следующего бита равно 1, и ему соответствует комбинация ТТ. Третий бит — тоже нулевой (ТN и т.д. 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 количество 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 слева — нулевой, значение же предыдущего бита в данном случае неизвестно, поэтому предположим, что он тоже равен нулю. При этом последовательность зон смены знака будет выглядеть как TN. Значение следующего бита равно единице, которой всегда соответствует комбинация 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 ячеек перехода между любыми двумя зонами смены знака равно 1 и 3 соответственно. Следовательно, MFM-кодирование в терминах RLL может быть названо методом RLL 1,3.
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. комбинаций, состоит из трех битов: 010. Она преобразуется в такую последовательность зон смены знака: TNNTNN. Следующим двум битам (11) соответствует комбинация TNNN, а последним трем (000) — NNNTNN. Как видите, в данном примере для корректного завершения записи дополнительные биты не потребовались.
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.