Магнитные накопители
1.3 Магнитные накопители
Классификация и основные характеристики накопителей. В качестве ВЗУ используются устройства, различающиеся типом носителя, способом регистрации и характером использования информации, способом доступа и.т.
По типу носителя различают ВЗУ с подвижным и неподвижным носителем. Если поиск, запись и считывание информации сопровождается механическим перемещением носителя, то такие ВЗУ называют накопителями с подвижным носителем (накопители на магнитных дисках НМД), оптических дисках (НОД), магнитных лентах (НМЛ). Если при поиске, записи, считывании механического перемещения не происходит, то ВЗУ - накопитель с неподвижным носителем (накопители на основе цилиндрических магнитных доменов -ЦМД). Реже в ВЗУ используют объемную запись – полупроводниковые ЗУ, приборы с зарядовой связью.
По способу регистрации различают ВЗУ с магнитной и оптической (магнитооптической) записью.
По характеру использования информации - постоянные ВЗУ, которые допускают только чтение информации, ВЗУ с однократной записью (после чего только чтение) и многократной записью (произвольное число записей и чтения).
По способу доступа к информации - накопители с последовательным и прямым доступом.
ВЗУ принято характеризовать следующими параметрами:
− емкостью памяти;
− пропускной способность или скоростью чтения-записи;
Рекомендуемые материалы
− временем доступа, т.е. интервалом времени от момента запроса до момента выдачи блока.
Плотность записи ВЗУ b. Здесь понимают числа бит информации, записанных на единице поверхности носителя; это поверхностная плотность. Различают также продольную плотность bl, бит/мм, т.е. число бит на единице длины носителя вдоль вектора скорости перемещения, и поперечную плотность bq, бит/мм, т.е. число бит на единице длины носителя в направлении, перпендикулярном вектору скорости.
Плотность записи определяет геометрические размеры накопителя, параметры его быстродействия, а также объемами памяти.
Принцип записи информации на магнитную поверхность. В качестве запоминающей среды в устройствах магнитной записи используются порошковые и гальванические покрытия, нанесенные на немагнитную среду - подложку. В качестве подложки для магнитных лент используется лавсан. Метод записи/считывания в НМЛ контактный, магнитная головка находится в механическом контакте с магнитоносителем.
Магнитные диски и барабаны покрываются металлическими покрытиями на основе никеля, кобальта, вольфрама, наносимыми гальваническим способом. Толщина покрытия колеблется от 0,01 до 1 мкм.
Гибкие магнитные диски (дискеты) вырубаются из магнитной пленки. В накопителях на гибких магнитных дисках (НГМД) применяется также контактный метод, в отличие от накопителей на жестких магнитных дисках (НЖМД) и накопителей типа винчестер, где метод записи-считывания - бесконтактный.
Для намагничивания отдельных участков магнитного покрытия с целью записи используется магнитная головка или блок магнитных головок, состоящих из магнитного сердечника с зазором и намотанной на него катушки индуктивности.
Накопители на гибких магнитных дисках. Устройство (НГМД) (рисунок 1.19) включает ГМД, пять основных систем (приводной механизм, механизм позиционирования, механизм центрования и крепления, систему управления и контроля, систему записи-считывания) и три специальных датчика (датчик индексного отверстия, датчик запрета записи, датчик дорожки 00).
Полезная поверхность диска представляет собой набор дорожек, расположенных с определенным шагом. Нумерация дорожек начинается с внешней стороны (нулевой дорожки). Позиция дорожки 00 определяется в накопителе с помощью специального фотоэлектрического датчика. Сама дорожка разбивается на отдельные участки записи равной длины - секторы. Начало участков записи-считывания на дорожках определяется имеющимся на диске специальным круглым индексным отверстием. Когда индексное отверстие при вращении диска проходит под соответствующим окном кассеты, другой фотоэлектрический датчик вырабатывает короткий электрический импульс, по которому обнаруживается позиция начала дорожки.
В НГМД используют два основных метода записи: метод частотной модуляции (ЧМ) и метод модифицированной ЧМ.
Адаптеры накопителей на гибких магнитных дисках. Адаптер НГМД переводит команды, поступающие из ПЗУ BIOS, в электрические сигналы, управляющие НГМД, а также преобразует поток импульсов, считываемых с дискеты МГ, в информацию, воспринимаемую ПЭВМ. Конструктивно электронное оборудование адаптера может быть размещено на системной плате. Один из вариантов построения структурной схемы адаптера НГМД приведен на рисунке 1.20.
 |
Основным функциональным блоком адаптера НГМД является контроллер НГМД, реализуемый конструктивно обычно в виде БИС (интегральные микросхемы 8272 Intel, 765 NEC и др.). Данный контроллер обеспечивает управление операциями НГМД и определяет условия обмена с центральным процессором.
Контроллер НГМД выполняет следующий набор команд: позиционирование, форматирование, считывание, запись, проверка состояния НГМД и др. Каждая команда выполняется в три фазы: подготовительной, исполнения и заключительной.
Zip накопители. Накопители Zip выпускаются в виде внутренних SCSI- и ATAPI-моделей и внешних устройств, подключаемых через параллельный порт либо интерфейсы SCSI и USB. Диски Zip имеют максимальную емкость 250 Мбайт (поддерживается всеми дисководами, кроме USB-модели). Максимальная скорость обмена у первых моделей Zip достигала 1,4 Мбайт/с, в среднем время доступа было порядка 30 мс. Новые модели стали немного быстрее. По своим скоростным характеристикам они сопоставимы, скажем, с современными записывающими дисководами CD-RW, немного уступая им в скорости чтения и времени доступа к диску, но превосходя при этом в скорости записи.
Другим вариантом сменных накопителей, основанных на использовании мягких магнитных дисков, является так называемая флоптическая технология. Это решение подразумевает, что позиционирование головки чтения/записи осуществляется при помощи луча лазера на служебную дорожку (servo-track), а сами операции чтения и записи - стандартным магнитным способом.
У современных устройств скорость передачи данных составляет 1,1 Мбайт/с (ATAPI). У SCSI-накопителей этот показатель еще выше - до 4 Мбайт.
Стримеры. Они используются для архивирования или резервного копирования, потому что носителем информации в них служит магнитная лента (лавсан, полиэфирной или ацетатной пленки), покрытой ферролаком, нанесенным в магнитном поле с целью ориентации плоских доменов по оси легкого намагничивания.
В зависимости от типа накопителя и, соответственно, носителя, применяются ленты разной ширины и длины, начиная от 3,61 мм для миникассет до 35 мм для катушек (бобин). Чаще используется лента ширины 12,7 мм; при большей ширине возникают перекосы ленты и усложняется блок магнитных, головок. Размещение информации зависит от ширины ленты. На узких лентах информация записывается последовательным кодом, на широких - параллельным. Применяется также запись параллельно-последовательным кодом.
На рисунке 1.21 показано размещение информации на МЛ при последовательно-параллельной записи на 11 дорожках. Каждой дорожке соответствует своя магнитная головка: 8 информационных, головка синхроимпульсов, головка начала зоны. Наибольшее время тратится на поиск зоны - оно может достигать нескольких минут в зависимости от расположения искомой зоны на ленте. Лентопротяжные механизмы обеспечивают продвижение ленты со скоростями от 0,9 до 6,3 м/с. и скорость обмена информацией от 30 Кбайт/с до 1,5 Мбайт/с. Для обеспечения быстрого пуска и останова ленты в лентопротяжном механизме НМЛ имеются вакуумные колонки, которые являются буферными устройствами, содержащими определенный запас ленты в виде компенсационной петли.
а) размещение на ленте зон произвольной длины;
б) размещение информации в зоне
Рисунок 1.21 - Размещения информации при последовательно-параллельной форме размещения информации на магнитной ленте НМЛ
Контроллеры НМЛ выполняют функции управления режимами работы накопителя по командам, поступающим от ЭВМ. Контроллеры НМЛ стандартизованы и позволяют подключать до 8-ми накопителей разных типов в любом сочетании к каналу ЭВМ.
НМЛ подключаются к контроллеру с помощью стандартного интерфейса. Наиболее часто используются 8 шин управления, 4 шины признаков состояния и 8 шин ответа. Шины управления и шины признаков являются общими для всех НМЛ, подключенных к контроллеру.
Оптические и магнитооптические накопители. Оптические внешние ЗУ имеют высокую плотность записи информации, на несколько порядков большую плотности магнитных ВЗУ, так как для регистрации одного бита достаточно участка на носителе с размерами порядка длины волны излучаемого лазером света(порядка 0,5 мкм). Этот тип внешних ЗУ имеет высокое быстродействие и надежность.
Как запись на оптический носитель - оптический диск, так и воспроизведение с него, осуществляются лазерным лучем. Лазеры способны генерировать и усиливать электромагнитные колебания в диапазонах 0,4 мм ...0,78 мкм (инфракрасная часть оптического спектра, это мазеры), 0,78 ...0,38 мкм (волны видимого света) и 0,38...2 нм (ультрафиолетовая часть спектра).
Цифровой оптический диск состоит из рабочего (регистрирующего, информационного) слоя, на который наносится информационная сигналограмма в виде определенных чередований его состояний, и основы, на которой находится этот рабочий слой. На рисунке 1.22 показана конструкция двухстороннего компакт-диска фирмы Philips, в котором две прозрачные основы с рабочими слоями соединены вместе и образуют замкнутое пространство для рабочих слоев.
 |  | ||||||
 | |||||||
 | |||||||
 |
Рисунок 1.22 - Конструкция двустороннего оптического диска
Имеются отражающий зеркальный слой и воздушный промежуток. Подложка выполнена из пластика. В качестве материала рабочего слоя применяются теллур и его сплавы, сплав селена, индия, меди, алюминия, никеля и цинка.
Конструкция оптической головки, предназначенной для записи и считывания дисков, приведена на рисунке 1.23. Наиболее распространены компакт-диски диаметром 119 мм (4,7 дюймов). На однократно записываемом диске такого диаметра располагается 550 либо 680 Мбайт. Производятся так же диски диаметром 80 мм емкостью 200 Мбайт
Рисунок 1.23 - Оптическая головка комбинированного типа для дисков с перезаписью
Устройства записи работают в трех режимах. В односеансном режиме запись всего диска должна осуществляться за один проход без перерывов. Многосеансный режим позволяет записывать данные за несколько сеансов, в результате чего информация на диске представляется в виде отдельных томов, напоминающих логические разделы жесткого диска и инкрементный режим позволяет записать часть данных, остановиться, а затем продолжить запись.
Оптическое дисковое ВЗУ состоит из двух частей: накопителя на оптических дисках (НОД) и устройства управления (УУ), приведенных на рисунке 1.24.
Рисунок 1.24 - Обобщенная структурная схема оптического дискового ВЗУ
В накопителе осуществляются процессы записи, хранения, считывания, стирания и поиска информации.
Связь УУ и НОД осуществляется по шинам: команд, состояния, адреса и по линиям: данных записи, данных воспроизведения, синхронизации данных воспроизведения.
Канал записи - воспроизведения (КЗВ) представляет собой часть информационного канала ВЗУ на ОД. С его помощью реализуется запись и воспроизведение информации на ОД. Он состоит из оптической и электрической части. Оптическую часть канала называют оптической головкой (ОГ).
Электрическая часть КЗВ в процессе записи преобразует информационные сигналы, поступающие из контроллера, в форму, пригодную для записи на ОД, и управляет непосредственно реализацией процесса записи путем изменения интенсивности лазерного луча, падающего на точку записи ОД, в соответствии с информационными сигналами. При воспроизведении электрическая часть КЗВ обрабатывает электрические сигналы, поступающие из фотоприемника: формирует, детектирует, распознает и передает их в контроллер.
В быстродействующих МО-накопителях в режимах записи и чтения используется буферная кэш-память большого объема (от 4 Мбайт).
Система поиска информации в НОД включает в себя позиционер оптической головки, привод ОД а также в случае многодисковых НОД систему хранения, выбора и смены ОД.
Позиционер ОГ служит для перемещения ОГ на заданную дорожку ОД и удержания светового луча на дорожке в процессе записи и воспроизведения.
На рисунке 1.25 показана структурная схема CD ROM.
Рисунок 1.25 - Структурная схема CD-ROM
Состав:
- сервосистема управления вращением диска;
- сервосистема позиционирования лазерного считывающего устройства;
- сервосистема автофокусировки;
- сервосистема радиального слежения;
- система считывания;
- схема управления лазерным диодом.
Сервосистема управления вращением диска обеспечивает постоянство линейной скорости движения дорожки считывания на диске относительно лазерного пятна. Характерными признаками исправной работы являются четко прослеживающиеся фазы:
– старт и разгон вращения диска;
– установившийся режим вращения;
– интервал торможения до полной остановки;
– съем диска лотком каретки и вынос его наружу из дисковода.
На рисунке 1.26 показана структура связей оптико-электронной системы считывания информации.
Рисунок 1.26 - Структура связей оптико-электронной системы
считывания информации
Сервосистема позиционирования головки считывания информации обеспечивает плавное подведение головки к заданной дорожке записи с ошибкой, не превышающей половины ширины дорожки в режимах поиска требуемого фрагмента информации и нормального воспроизведения. Сервосистема радиального слежения обеспечивает удержание луча лазера на дорожке и оптимальные условия считывания информации.
Обратите внимание на лекцию "5. Схема управления системой «водитель-автомобиль-дорога-среда» ".
Контроль и управление вертикальным перемещением фокусирующей линзы осуществляется под воздействием сервофокуса. Эта система обеспечивает точную фокусировку лазерного луча в процессе работы на рабочей поверхности диска.
Система считывания информации содержит фотодетекторную матрицу и дифференциальные усилители сигналов. О нормальной работе этой системы можно судить по наличию высокочастотных сигналов на ее выходе при вращении диска.
Система управления лазерным диодом обеспечивает номинальный ток возбуждения диода в режимах пуска диска и считывания информации. Признаком нормальной работы системы является наличие ВЧ-сигнала амплитудой около 1 В на выходе системы считывания.
ВЗУ на ЦМД – содержащих материалах. Цилиндрические магнитные домены (ЦМД) представляют собой изолированные однородно намагниченные области магнетика в форме круговых цилиндров, направление вектора намагниченности в которых противоположно направлению намагниченности остальной части магнетика.
Для создания ЦМД на практике используются нанесенные на подложку тонкие плоскопараллельные пластины - пленки (толщиной от 1 до 100 мкм) магнитных материалов с наведенной в процессе изготовления анизотропией, обладающие малой остаточной индукцией порядка 0,01 - 0,02 тесла.
ВЗУ на основе голографии. Использование лазерной техники для ввода, хранения и выдачи информации в форме объемных изображений позволило создать голографические средства отображения (СО). Объем памяти голографических ЗУ практически неограничен: теоретически достижимая плотность записи с помощью двумерных голограмм - 410 8 бит/см2, а с помощью объемных голограмм - 41012 бит/см 3 .
