Глава 6. Внешние запоминающие устройства на магнитных носителях |
104 |
6.3. Методы записи цифровой информации на магнитный носитель
Методы записи различаются по способу использования состояний магнитного носителя для хранения двоичной информации, по характеру сигналов, действующих при записи,
ипо другим признакам - сложности и стоимости электронного оборудования, используемого для записи/считывания информации, помехоустойчивости и т.п.
Для записи информации на МН с ППГ могут использоваться три устойчивых состояния: положительное насыщение, отрицательное насыщение и полностью размагниченное состояние. По способу использования состояний носителя методы записи делятся на две группы: методы записи на предварительно размагниченный носитель и методы записи, при которых носитель находится в насыщенном состоянии.
Взависимости от характера используемых при записи сигналов различают импульсные и потенциальные методы записи. В первом случае ток в обмотке записывающей головки меняется дважды за такт записи, то есть за интервал времени, отведенный для записи одного двоичного знака. Во втором случае ток изменяется один раз в начале такта или вообще не изменяется на протяжении всего такта.
Одним из первых был разработан импульсный метод записи на размагниченный носитель, при котором используются три состояния намагниченности носителя. Поэтому метод получил название метода записи по трем уровням. Применяется также название метод записи с возвращением к нулю. Временная диаграмма, поясняющая импульсный метод записи по трем уровням, приведена на рис. 6.5. Для записи «0» и «1» в обмотку МГ подаются
разнополярные импульсы тока iзап(t), создающие насыщение МН в одном или другом направлении Вs, -Вs. При этом способе записи ток в записывающей МГ в начале и конце такта записи равен нулю, вследствие чего в промежутках между намагниченными участками МН находится в размагниченном состоянии.
Врежиме считывания информации изменение магнитного потока в сердечнике считыва-
ющей МГ Фвоспр, возникающее при прохождении мимо нее участков с изменением намагниченности МН (отпечатков), создает ЭДС в ее обмотке. ЭДС возникают как при считывании «0», так
ипри считывании «1» и отличаются они друг от друга только по фазе. Эти же сигналы используются для образования синхроимпульсов СИ, для чего отрицательные сигналы инвертируются
и, таким образом, формируются СИ из положительных и отрицательных сигналов ЭДС есчит. Считанные головкой и усиленные сигналы и синхроимпульсы поступают на схему совпадения,
свыхода которой поступают сигналы считанного двоичного кода.
Достоинство рассмотренного метода записи информации состоит в том, что нет необходимости выделять специальную дорожку для записи СИ - синхродорожку. Существенный недостаток этого метода состоит в том, что плотность записи оказывается меньшей, чем при использовании других методов из-за наличия размагниченных промежутков между отпечатками. Кроме того, необходимость размагничивать носитель перед записью требует применения дополнительного оборудования.
В настоящее время при записи информации на магнитные диски используется потенциальный метод без возвращения к нулю с инверсией БВНИ, называемый в зарубежной литературе NRZI. При этом методе не применяется предварительное стирание информации: в МГ записи посылается ток записи того или иного направления, достаточный по амплитуде для создания такого магнитного поля, которое перемагничивает магнитный слой под головкой из одного состояния намагниченности в другое. Причем переключение направления тока записи на противоположное, инверсное, осуществляется только тогда, когда нужно записать «1». Если очередной разряд содержит «0», то не происходит изменения направления тока записи (рис. 6.6). Для выделения считанного кода применяется синхронизация, подобная той, какая используется в методе записи с возвращением к нулю. Частота переключения магнитных состояний меньше, чем в предыдущем методе. Этот метод позволяет получить большую плотность записи.
Глава 6. Внешние запоминающие устройства на магнитных носителях |
105 |
Широко применяются также разновидности кодирования БВНИ: метод частотной модулями FM и метод модифицированной частотной модуляции МFM. Здесь применяются коды с самосинхронизацией, которые характеризуются совместной записью импульсов данных и синхронизации (синхросмесь).
код |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
|
||||||
iзап |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
Запись |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фв
x=V t
Хранение
евоспр
t
Считывание
СИ
t
код
t
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
Рис. 6.5. Временные диаграммы записи и считывания информации по методу трех уровней
|
|
|
(с возвратом к нулю) |
|
|
||
код |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
iзап |
|
|
|
|
|
t |
Запись |
|
|
|
|
|
|
||
Фв |
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
Хранение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
евоспр |
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
Считывание |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тг |
|
|
|
|
|
|
Триггер |
|
|
|
|
|
t |
временного |
|
|
|
|
|
|
|
хранения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СИ |
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
код |
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
Рис. 6.6. Временные диаграммы записи и считывания информации по методу трех уровней (без возврата к нулю)
Глава 6. Внешние запоминающие устройства на магнитных носителях |
106 |
Кодирование FM характеризуется записью бита синхронизации в начале каждого битового элемента (рис. 6.7). Битовый элемент определяется как минимальный интервал времени между битами данных. В случае гибкого 133 мм диска при скорости 300 об/ мин каждый битовый элемент имеет длительность 8 мкс. Бит данных записывается в середине битового элемента, максимальная продольная плотность соответствует 233-м изменениям на 1 мм, а скорость передачи данных составляет 125 Кбит/с. Главный недостаток этого метода состоит в наличии битов синхронизации в начале каждого битового элемента, поэтому половину рабочей поверхности носителя необходимо отвести для записи битов синхронизации.
Метод МFM позволяет вдвое увеличить продольную плотность записи за счет уменьшения числа записываемых импульсов синхронизации (pис. 6.7, б).
При методе МFM битовый интервал сокращается вдвое и составляет 4 мкс. При записи «1» имеет место изменение фазы магнитного потока в середине битового интервала; при записи «0» это изменение отсутствует. Импульсы синхронизации записываются в начале битового элемента, если в предыдущем элементе был записан «0», а текущему битовому элементу также соответствует «0». Таким образом, при МFM импульс синхронизации записывается только тогда, когда два бита подряд имеют нулевое значение. Так как при МFM в одном битовом элементе записан только один импульс - либо бит данных, либо бит синхронизации, то достигается удвоенная по сравнению с FМ методом, плотность записи и практически, хотя бы один раз в течении интервала 8 мкc, имеет место изменение фазы, что обеспечивает устойчивость синхронизации схем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в схемах разделения данных. Скорость передачи данных увеличивается до 250 Кбит/с, хотя плотность изменений направлений магнитного потока остается такой же, как и в методе FM. Однако допуски на синхронизацию становятся более жесткими, так как временные «окна», предназначенные для чтения данных, сокращены до 2 мкс. Так как бит синхронизации содержится не в каждом битовом элементе, то необходимо непрерывно анализировать поток данных, чтобы временные окна оставались в синхронизме с соответствующими битами данных. Эти функции реализуются с помощью схемы ФАПЧ.
Хотя метод МFM относительно прост, надежен и не требует больших затрат для своей реализации, но и он обладает избыточностью, так как для хранения битов СИ должна отводиться какая-то часть поверхности, что сокращает полезную емкость МН. Метод МFM позволяет записывать от одного до трех бит данных на один переход намагниченности.
Более эффективным является метод кодирования с ограничением расстояния между переходами намагниченности (RLL кодирование). При его использовании информационные биты запоминаются в виде кодовых слов. Хотя в данном случае также требуются биты СИ, их число меньше, чем при МFM кодировании, что позволяет повысить объем хранимой на диске информации на 50%. При RLL кодировании регламентируется расстояние между соседними участками с разным направлением намагниченности магнитного слоя диска. Такая регламентация связана с тем, что увеличение расстояния между участками с разным направлением намагниченности ухудшает работу схем разделения сигналов.
Метод RLL основан на записи с групповым кодированием. В этом методе каждый байт поступающих данных разделяется на две тетрады, а затем каждая тетрада кодируется специальным 5-разрядным кодом, характеризующимся тем, что каждое число в нем содержит, по меньшей мере, одну перемену направления потока. При считывании две 5-разряд- ные кодовые группы переводятся обратно в тетрады и сливаются в байты.
Особенность 5-разрядного группового кода состоит в том, что в любом его числе не должно быть более двух стоящих рядом «0». Каждому 16-ричному числу ставится в соответствие 5-разрядный групповой код, приведенный в таблице 6.1.
Глава 6. Внешние запоминающие устройства на магнитных носителях |
|
|
|
|
107 |
|||||
|
0 |
8 |
16 |
24 |
32 |
40 |
|
48 |
56 |
64 t, мкс |
Записываемые |
1 |
1 |
0 |
1 |
|
0 |
0 |
0 |
|
1 |
данные |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Синхросмесь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а) |
Поток |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Битовый |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
элемент = 8 мкс |
|
|
|
|
|
|||
|
0 |
4 |
8 |
12 |
16 |
20 |
|
24 |
28 |
32 t, мкс |
Записываемые |
1 |
1 |
0 |
1 |
|
0 |
0 |
0 |
|
1 |
данные |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Синхросмесь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б) |
Поток |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Битовый |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
элемент = 4 мкс |
|
|
|
|
|
|||
|
0 |
4 |
|
|
|
8 |
12 |
|
16 |
|
|
20 |
24 |
|
|
|
|
t, мкс |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
Записываемые |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
0 |
1 |
|
0 |
|
|
|
0 |
|
|
0 |
|
|
1 |
|
|
|
|
||||||||||||
данные |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Промежуточный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
1 |
|
0 |
|
1 |
|
1 |
|
1 |
|
0 |
0 |
|
|
1 |
|
|
|
|
||||||||||||||
код |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Синхросмесь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поток
Битовый элемент = 2,6 мкс
Рис. 6.7. Разновидности метода записи без возврата к нулю: а) метод частотной модуляции (FM); б) метод модифицированной частотной модуляции (MFM); в) метод кодирования с ограничением расстояния между переходами намагниченности, с групповым кодированием (RLL)
Глава 6. Внешние запоминающие устройства на магнитных носителях |
108 |
||
Таблица 6.1. Соответствие кодов |
|
||
Коды |
|
|
|
16-ричный |
Двоичный |
Групповой |
|
0 |
0000 |
11001 |
|
1 |
0001 |
11011 |
|
2 |
0010 |
10010 |
|
3 |
0011 |
10011 |
|
4 |
0100 |
11101 |
|
5 |
0101 |
10101 |
|
6 |
0110 |
10110 |
|
7 |
0111 |
10111 |
|
8 |
1000 |
11010 |
|
9 |
1001 |
01001 |
|
А |
1010 |
01010 |
|
В |
1011 |
01011 |
|
С |
1100 |
11110 |
|
D |
1101 |
01101 |
|
E |
1110 |
01110 |
|
F |
1111 |
01111 |
|
При RLL скорость передачи данных возрастает с 250 до 380 Кбит/c, а число перемен направления потока на единицу длины - до 330 перемен/мм. При скорости передачи 380 Кбит/c длительноcть битового элемента снижается до 2,6 мкc. Любая перемена направления потока будет происходить всегда в середине битового элемента. В худшем случае при двух рядом стоявших «0» в любом интервале 7,8 мкс будет по меньшей мере один импульс. Поскольку этот максимальный интервал предсказуем, импульсы данных могут быть использованы для синхронизации схем декодирования данных.
Поверхность форматированного диcка, как гибкого, так и жесткого, разделена на дорожки, которые в свою очередь делятся на секторы. Таким образом, диск имеет четыре измерения:
-сторона диска или номер пластина диска, вертикальное измерение,
-дорожка или цилиндр, радиальное измерение,
-сектор внутри дорожки, измерение по окружности,
-количество данных в секторе.
Основной операционной единицей диска является сектор. Все операции «запись/воспроизведение» используют порции данных, кратные сектору. Программа должна находить и идентифицировать каждый сектор, пользуясь всеми тремя измерениями.
Для работы с новыми дискетами или жесткими дисками необходимо выполнить их форматирование, заключающееся в разбиении рабочей поверхности диска на дорожки, секторы и записи служебной информации.
Структура (формата записи зависит от типа контроллера - управляющего устройства НМД, но, как правило, включает в себя байты синхронизации, указывающие на начало каждого сектора, идентификационные заголовки ID, состояние из номера сектора и цилиндра, а также байты циклического контроля, предназначенные для обнаружения ошибок в информации при считывании данных, и служебной информации. На рис. 6.8 показан стандартный формат (IBM формат 3740), принятый для накопителей на гибких дисках в IBM PC. Начало дорожки определяется индексным импульсом. Заголовок записи, следующий за индексом и состоящий из последовательности «0», используется для синхронизации генератора тактовых импульсов чтения, которая обеспечивается схемой ФАПЧ.
После заголовка записи следует адресная индексная метка. Первый байт метки содержит набор битов с отсутствующими тремя первыми битами. Эти пропущенные биты обнаруживаются в процессе считывания и идентифицируют следующий байт как тип метки. Тип метки определяется комбинацией битов (5-7) во втором байте метки (таблица 6.2).
Глава 6. Внешние запоминающие устройства на магнитных носителях |
109 |
|||
Таблица 6.2. Тип метки и комбинация битов |
|
|||
Разряды |
Тип метки |
|
||
5 |
6 |
7 |
|
|
0 |
0 |
0 |
Не заполнено |
|
0 |
1 |
1 |
Данные |
|
1 |
0 |
0 |
Индекс |
|
1 |
1 |
0 |
Адрес |
|
В случае распознавания индексной адресной метки IAM контроллер оповещается о том, что после 32 байтов, заполненных «0», появится адресная метка первого информационного сектора. Затем следует пустой промежуток в 17 байт, который позволяет блоку считывания/записи переключаться в случае необходимости в режим записи. Следующая за промежутком в 17 байт метка данных сообщает, имеется ли в поле данных полезная информация. Поле данных всегда заполнено байтами данных, импульсы, считанные при прохождении этого поля под головкой считывания/записи, поддерживают синхронизацию генератора тактовых импульсов, используемого в схеме разделения данных. При записи контроллер указывает в метке данных какими байтами данных, полезными или бесполезными, заполнено это поле. После чтения метки данных осуществляется чтение или запись блока данных. Для проверки контрольных сумм используется символ циклического контроля СRС в 2 байта, который формируется контроллером при записи данных. Блок данных заканчивается пустым промежутком данных, необходимым для того, чтобы схема успела перестроитьcя для распознавания следующего адреса.
Индекс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Заголовок |
|
Индексная |
Промежуток |
|
|
|
|
|
|
|||
|
адресная |
сектор |
|
|
сектор |
|
Конец |
|||||
записи |
|
после |
|
2 |
n |
26 |
||||||
все "0" |
|
метка |
индекса |
|
1 |
|
|
25 |
|
записи |
||
|
LAM |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
46 байт |
|
2 байт |
32 байт |
|
|
|
|
|
|
|
||
Метка |
Адрес |
Промежуток |
|
Метка |
|
Данные |
Промежуток |
|
||||
адреса |
|
|
|
|||||||||
11"1'' и 6"0'' |
|
данных |
|
27"1'' и 6"0'' |
|
|||||||
данных |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 байт |
|
|
17 байт |
|
1 байт |
|
|
33 байт |
|
|||
|
|
|
|
|
|
Байты |
|
|
|
Байты |
|
|
№ |
0 |
|
№ |
0 |
циклического |
|
Данные |
циклического |
||||
дорожки |
сектора |
контроля |
|
контроля |
||||||||
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
CRC |
|
|
|
CRC |
|
|
|
|
|
6 байт |
|
|
|
|
|
128FM |
|
2 байт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
256MFM |
|
|
|
Рис. 6.8. Структура формата записи дорожки НГМД стандарта IBM 3740