Кагиров Р.Р. Лекции по Организации ЭВМ

Подождите немного. Документ загружается.

материалы и пропорции сохраняются, то устоявшийся принцип

соблюдается.

На практике такой способ масштабирования сталкивается с 3

сложностями:

 Сохранение или увеличение скорости считывания при увеличении

плотности записи может быть невозможно для существующей

электроники;

 Для увеличения производительности приводов приходится

увеличивать скорость вращения дисков, что также сказывается на

скорости считывания;

 Уменьшение масштабов уменьшает уровень сигналов чтения, что

резко увеличивает шумы в магнитных полях. Уменьшение

соотношения сигнал/шум требует создания более чувствительных

считывающих головок. Поэтому индустрия перешла от индуктивных

головок к магниторезистивным (MR), затем к GMR-головкам,

использующим эффект «гигантской магниторезистивности», и даже

к TMR-головкам, построенным на туннельном эффекте.

Тем не менее, до последнего времени производители накопителей шли

именно таким путем, пока не подошли вплотную к так называемому

суперпарамагнитному пределу, который сделал невозможным дальнейшее

наращивание плотности традиционными методами.

Суперпарамагнетизм

Как известно из курса физики, свойством любого магнетика является

анизотропия. Домен с большим трудом намагничивается в одном

направлении, и легко – в противоположном (по «легкой оси»). Его энергия

пропорциональна sin2θ , где θ - угол между углом намагниченности домена

и осью предпочтительного намагничивания. В условиях абсолютного нуля

в изолированной системе намагниченный домен занимает положение в

одном из состояний с наименьшей энергией (т.е. под углом 0 или 180

градусов). Для представления информации эти положения принимаются за

логический ноль или единицу. При изменении направления

намагниченности и повышении температуры домен может поменять

направленность магнитного момента. Уменьшение размеров частицы в 2

раза означает уменьшение энергетического барьера, который необходимо

преодолеть для смены направления, поэтому она становится значительно

менее стабильной. Период стабильности может измениться со 100 лет

(стабильная частица) до 100 нс (при таком периоде частицу вообще сложно

назвать постоянным магнитом). В последнем случае мы получим на

пластине огромное количество хаотически расположенных намагниченных

частиц, произвольно меняющих свою направленность. Это явление

161

называется суперпарамагнетизмом, потому что макроскопические свойства

такой среды похожи на свойства парамагнетиков.

В реальной среде ситуация оказывается еще более сложной. При

традиционном методе параллельной записи на диск магнитные частицы

располагаются магнитными моментами параллельно плоскости диска. А,

как известно, два постоянных магнита, расположенных одинаковыми

полюсами друг к другу, отталкиваются, а разными – притягиваются.

Значит, между ними тоже происходит энергетическое взаимодействие. У

границ намагниченных частиц возникает поле рассеяния, которое забирает

энергию у магнитных полей обеих частиц. В результате крайние домены

частицы теряют часть заряда и становятся менее стабильными.

Чтобы это преодолеть, ученые предлагают несколько методов, но все они

лишь слегка отодвигают парамагнитный предел. Необходимо

принципиально новое решение.

Перпендикулярная запись: забытое старое

Схема технологии перпендикулярной записи

Впервые метод перпендикулярной записи на магнитный носитель был

применен еще в конце 19 века датским ученым Вольдемаром Поульсеном

для магнитной записи звука. Однако в дальнейшем исследования на эту

тему носили больше теоретический характер из-за недостаточного

развития технологий, не позволявших использовать разработки. Отцом

технологии перпендикулярной записи считается доктор Shunichi Iwasaki –

президент и директор престижного японского Tohoku Institute of

Technology. Именно этот ученый в 1976 году теоретически обосновал

162

преимущества нового типа записи, подтолкнув тем самым исследователей

всего мира к углубленным разработкам.

При перпендикулярной записи на диск магнитные частицы располагаются

под углом 90° к плоскости магнитного диска. Благодаря этому домены,

хранящие разные значения, не отталкиваются друг от друга, потому что

намагниченные частицы повернуты друг к другу разными полюсами.

Увеличение плотности, означающее уменьшение размера частиц, при этом

не будет требовать уменьшения толщины слоя, что обеспечит

стабильность магнитного материала.

Взаимодействие намагниченных частиц

Для перпендикулярной записи на магнитный слой используется головка

новой конструкции. Если при продольной записи магнитное поле

генерируется в металлическом кольце с помощью индукции, то при

перпендикулярной используется поле, генерируемое между срезом полюса

головки записи и магнитомягким подслоем на диске. Поэтому частицы

записывающего слоя намагничиваются вертикально, а частицы магнитного

подслоя – горизонтально. Это обеспечивает дополнительную стабильность

частиц относительно друг друга.

При перпендикулярной записи используется намного более сложный

состав магнитного слоя. Под тонким защитным слоем расположен

записывающий слой состоящий из окисленного сплава кобальта, платины

и хрома. Подложка состоит из двух слоев сложного химического состава,

называемых антиферромагнитносвязанными слоями. Именно они

позволяют снять внутренние напряженности магнитного поля.

163

Процесс перпендикулярной записи на диск

Важное отличие перпендикулярной записи от продольной заключается в

характере и расположении сигнала чтения. Продольный магнитный слой

без подслоя испускает магнитный сигнал только с границы перехода бит (с

границы между одной магнитной частицы и другой) под прямым углом к

плоскости диска. Перпендикулярный магнитный слой испускает сигнал по

всей площади частицы, а благодаря подслою вектор этого сигнала

направлен параллельно плоскости диска. Для считывания требуются

принципиально новые головки чтения, которые позволяют значительно

увеличить соотношение сигнал/шум и мощность самого сигнала. Поэтому

некоторые компании уже начинают применять новое поколение головок,

использующее туннельный магниторезистивный эффект (TMR Heads).

Магнитные головки

Головки чтения/записи служат интерфейсом между физическим

магнитным материалом, на котором хранятся данные, и электронными

компонентами жесткого диска. Головки работают по принципу конвертации

битов в наборы магнитных импульсов и сохранения их на пластинах, а также

осуществляют обратный процесс, когда нужно считать данные.

Головки чтения/записи оказывают критическое влияние на такие

характеристики винчестера, как скорость линейного чтения/записи и время

доступа. Обычно, они составляют самую дорогостоящую часть в накопителе.

Концепция магнитных головок относительно проста. Их можно

представить в виде конверторов энергии: они транслируют электрические

сигналы в магнитные сигналы, и магнитные сигналы в электрические. Головки

чтения/записи по своему существу являются электромагнитами,

осуществляющими конверсию электрически представленной информации в

магнитно представленную информацию и наоборот. Каждый бит данных

164

записывается на поверхность пластины с использованием специального метода

кодирования (encoding method), который транслирует нули и единицы в наборы

знакопеременных магнитных импульсов.

Старые традиционные магнитные головки, такие как ферритовые или

тонкопленочные, работали, используя два главных принципа

электромагнитных сил.

Первый состоит в том, что прохождение электрического тока через

катушку, вызывает появление магнитного поля. Этот принцип использовался

при записи информации на поверхность пластины. Направление

напряженности магнитного поля меняется в зависимости от направления

течения электрического тока в катушке.

Второй принцип обратный первому: магнитное поле, приложенное к

катушке, вызывает течение электрического тока. Этот принцип используется

при чтении информации с поверхности пластины. Направление течения

электрического тока зависит от направления напряженности магнитного поля.

Новые магнитные головки (MR и GMR) не используют наводимый ток в

катушке для чтения информации с поверхности магнитной пластины. Они

функционируют, используя принцип магниторезестивности: некоторые

материалы меняют свое сопротивление в зависимости от приложенного

магнитного поля.

Современные головки обычно называются "головками чтения-записи", в то

время как еще недавно, для записи и чтения информации использовался один и

тот же элемент. Современные головки – это композиты, которые включают в

себя различные элементы для записи и для чтения. Такое устройство головки

сложнее в производстве, в силу того, что нельзя использовать эффект

магниторезестивности для записи данных. Такие головки, имея различные

части для записи и для чтения, позволяют идеально подобрать элемент для

чтения и элемент для записи информации, в отличие от старых головок с одним

элементом, которые разрабатывались в компромиссе между хорошей

настройкой для чтения и хорошей настройкой для записи.

При уменьшении размера одного бита, занимаемого на поверхности

пластины, очень важно не допускать эффекта интерференции между соседними

битами. В силу этого используются достаточно слабые магнитные поля.

Увеличивая поверхностную плотность пластины, требуется уменьшение

напряженности магнитных полей, представляющих искомые данные, что

требует более чуствительных элементов чтения для достоверного отличия

единиц и нулей. По этой причине на рынок вышли магниторезистивные MR

(magneto resistive head) и GMR (giant magneto resistive head) головки. Они более

чувствительны и могут быть достаточно малыми в размерах, что также является

не маловажным фактором. Используются специальные цепи усиления и

распознавания для перехода от слабых электрических импульсов к цифровым

данным, читаемым с поверхности пластин. Также требуется использования

165

специальных цепей детектирования и коррекции ошибок. Кроме этого,

некоторые головки включают в себя некое подобие магнитного щита,

используемого для ограждения головок от внешних магнитных полей.

Количество головок чтения записи

Каждая пластина жесткого диска имеет две поверхности. Чаще всего для

хранения информации используются обе поверхности пластины, но в старых

накопителях, использующих принцип выделенной сервоинформации, одна из

поверхностей использовалась для хранения только сервоинформации и не

принимала участия в хранении пользовательской информации. Большинство

современных накопителей имеют от одной до трех пластин, и, как следствие, от

одной до шести головок. Накопители с нечетным количеством головок, как

правило, изготавливаются по маркетинговым соображениям. Во-первых, в

пределах одного семейства накопителей, удается заполнить все емкостные

ниши, присутствующие на рынке в данный момент. А во-вторых, в таких

накопителях могут использоваться отбраковки пластин. Ведь, не всегда

получается создать пластину с удовлетворяющими характеристиками у обеих

поверхностей.

В течение одного промежутка времени, только одна головка может

принимать участие в чтении/записи. Для выбора головки, принимающей

участие в обмене в данный момент, используется специальная электрическая

цепь.

Различные типы модуляции

FM кодирование

Принцип модуляции был предельно прост: 1 кодировалась двумя

последовательными сменами полярности, в то время как 0 кодировался одной

сменой полярности и оставлением ее неизменной. Таким образом, в начале

каждого бита информации мы наблюдали смену полярности и таким образом

мы всегда могли восстановить синхронизацию битов.

Ниже представлена таблица, на которой R-означает смену полярности, в то

время как N — отсутствие.

Бит Кодированная последовательность Количество смен полярности на бит

Вероятность появления в случайном потоке данных

0 RN 1 50%

1 RR 2 50%

Взвешенное среднее 1.5 100%

166

Термин частотной модуляции берет свое начало от разного количества смен

полярности для 0 и для 1. Например, байт со всеми нулями выглядит как

RNRNRNRNRNRNRNRN в то время как байт 0xFF (все биты — единички)

выглядит как RRRRRRRRRRRRRRRR. Как видно, у 1 вдвое больше частота

смены полярности, чем у 0, отсюда и идет термин частотная модуляция.

На рисунке представлена кодированная форма записи байта "10001111".

MFM кодирование

Частотная модуляция была очень расточительной: каждый бит информации

требовал два "магнитика". По сравнению с более продвинутыми методами

кодирования, у FM-кодирования каждый бит сопровождался информацией о

синхронизации (клоковой), в то время как сама задача кодирования и состоит в

уменьшении информации о синхронизации на один и тот же удельный объем

данных. Этот метод кодирования использовался в ранних дисководах на гибких

дисках.

MFM-кодирование было лучше чем FM-кодирование в смысле уменьшения

магнитных переходов полярности, используемых для синхронизации

(клоковых). Вместо вставки клоковой информации на каждый бит, она

вставлялась только в случае двух последовательных нулей. Ведь, когда

пишется 1, у нас и так есть смена полярности (в середине бита), так что нет

необходимости в дополнительной смене полярности в целях правильного

восстановления синхронизации. Когда 0 следует после единицы, у нас уже

недавно (во время 1) была клоковая информация, и мы можем отталкиваться от

нее. Так что смена полярности нам в данном случае не нужна, а требуется она

только тогда, когда мы имеем последовательно два 0.

Таблица показывает кодовые последовательности для MFM-кодирования, где R

означает смену полярности, в то время как N означает отсутствие ее. Среднее

количество смен полярности на один бит равно 0.75. В лучшем случае

(последовательность 0 и 1) — 0.25, в худшем (все единицы или нули) — 1.

Битовая последовательность Кодированная последовательность Смены

полярности на бит Вероятность появления в случайном наборе данных

0 (предшествующий 0) RN 1 25%

0 (предшествующий 1) NN 0 25%

1 NR 1 50%

Взвешенное среднее 0.75 100%

167

RLL-кодирование

MFM-кодирование использовалось в ранних винчестерах, а также в флоппи-

дисководах. Т.к. MFM-кодирование в два раза поднимало объем записываемой

информации, такие гибкие диски назывались "double density". MFM-

кодирование до сих пор используется в дисководах на магнитных дисках. Для

жестких дисков, вскоре, был изобретен более эффективный метод кодирования

информации: RLL. В случае с гибкими дисками, новые методы уже не

использовались, в силу отсутствия необходимости в переносе больших объемов

данных на гибких дисках (это было бы достаточно не надежно), а также, в

случае с гибкими дисками требуется совместимость новых стандартов

кодирования и старых: любой современный дисковод может читать как FM-,

так и MFM-кодированные диски, в то время как принцип RLL-кодирования

принципиально отличается от двух предыдущих.

RLL — run length limited или кодирование с ограничением длины поля записи.

Этот тип кодирования был более сложным, и, строго говоря, это было

семейство схем кодирования. У RLL-кодирования было два параметра,

описывающих данный метод кодирования и в связи с этим было именно

семейство схем кодирования, а не один метод кодирования.

FM-кодирование имеет простое соотношение между кодируемым битом и

методом записи на диск. Требуется только знать текущий бит данных. MFM-

кодирование улучшило эффективность по сравнению с FM-кодированием с

помощью более умной схемы, которая следила за предыдущим записанным

битом и клоковой информацией.

RLL-кодирование было шагом вперед по сравнению с MFM-кодированием.

Этот метод кодирования рассматривает группы из нескольких бит, вместо

рассмотрения одного бита в один промежуток времени. Идея кодирования

состоит в том, чтобы смешивать клоковые смены полярности и смены

полярности данных, чтобы допустить более плотную запись на поверхность

магнитной пластины. Два параметра, описывающих RLL есть run length и run

limit (отсюда и следует имя данного семейства кодирующих схем). Слово run

здесь относится к последовательности записываемой информации без смены

полярности. Параметр run length — это минимальная длина между двумя

сменами полярности, в то время как run limit — это максимальная длина без

168

смены полярности. Как и было сказано ранее, длина между двумя сменами

полярности не может быть слишком длинной, иначе у нас потеряется

синхронизация бит.

Конкретная схема кодирования пишется как RLL(x,y) или x,y RLL, где x это run

length, а y это run limit. Наиболее часто встречающаяся схема кодирования

информации на накопителях это RLL(1,7) и RLL(2,7). Для того чтобы

произвести кодирование, нужно иметь некий словарь, ставящий в соответствие

входные данные выходным, давайте посмотрим на данный словарь в случае 2,7

RLL:

Битовая последовательность Кодированная последовательность Количество

смен полярности на бит Вероятность встречи в случайном потоке данных

11 RNNN 1/2 25%

10 NRNN 1/2 25%

011 NNRNNN 1/3 12.5%

010 RNNRNN 2/3 12.5%

000 NNNRNN 1/3 12.5%

0010 NNRNNRNN 2/4 6.25%

0011 NNNNRNNN 1/4 6.25%

Взвешенное среднее 0.4635 100%

Для примера, возьмем следующую последовательность бит: 10001111 (0х8Fh),

эта последовательность будет представлена контроллером, как 10-0011011 и

закодирована как NRNN-NNNNRNNN-RNNN. Следует заметить, что в данной

схеме кодирования, каждая кодируемая последовательность из словаря

оканчивается как NN, отсюда и видно, что минимальная длина между двумя

сменами полярности равна 2. Максимальная длина, равная 7, будет достигаться

в случае кодирования двух последовательностей 0011-0011.

Сравнивая эту таблицу с такими же для FM и MFM, можно увидеть несколько

интересных вещей. Наблюдается увеличивающаяся сложность кодирования:

используется 7 различных последовательностей, и одновременно

рассматривается до 4 бит. Среднее количество смен полярности на один бит

равно 0.4635 или примерно 0.5. Это примерно одна треть от FM и примерно две

трети от MFM. Так что, по сравнению с FM-кодированием, мы можем записать

втрое больше информации на один и тот же участок поверхности.

На рисунке представлено кодированная форма записи байта "10001111" в

случае FM, MFM и RLL 2,7 кодирования.

169

PRML-кодирование

Стандартные схемы чтения работают, используя определение смены

полярности и представления их в соответствии с кодирующей схемой, которая

была использована при записи информации. Сигнал читается с диска,

используя головку и усилитель, после чего он подается на схему улавливания и

декодирования. Контроллер переводит сигнал в цифровую форму, постоянно

следя за сигналом с головок, синхронно с внутренним клоком и определяя

маленькие всплески напряжения, которые означают смену полярности.

Традиционный метод чтения и представления читаемой информации

называется методом детектирования пиков.

Этот метод прекрасно работает, пока всплески напряжения достаточно

большие, чтобы отличить их от шума. В то время как плотность записи растет,

сигнал становится все сложнее и сложнее распознавать: амплитуда пиков

падает, а также начинаются явления интерференции между двумя соседними

всплесками. Получается интересная зависимость: для того, чтобы снизить

интерференцию, надо уменьшить амплитуду записываемых данных, в то время

как снижая амплитуду, мы уменьшаем помехозащищенность. При увеличении

плотности записи, происходит увеличение интерференции. Следовательно,

нужно снижать амплитуду записи, что приводит к более низкой

помехозащищенности, и как следствие — к удорожанию и усложнению головок

и схемы распознавания и декодирования.

Для борьбы с этой проблемой был предложен новый метод распознавания

данных. Эта технология, называемая PRML (partial response, maximum

likelihood) — частичный ответ, максимальное правдоподобие, которая в корне

меняет принцип чтения и декодирования данных, полученных с поверхности

накопителя. Вместо того чтобы пытаться отличать индивидуальные всплески,

контроллер, использующий PRML, применяет большую тактовую частоту

дискретизации при переводе аналогового сигнала в цифровой, восстанавливая

структуру считанного сигнала в цифровой форме, фильтруя его и используя

различные методы цифровой обработки сигналов. Рассматривает не один

всплеск, а целый временной интервал, описывающий считанный сигнал. Далее

контроллер сравнивает полученные результаты и подбирает наиболее похожий

170