Движущийся участок магнитного носителя информации

Данный способ физической реализации одного двоичного разряда использовался и используется в следующих запоминающих устройствах ЭВМ:

1. Накопители на магнитных барабанах НМБ (ЭВМ 1 и 2-го поколений).

2. Накопители на магнитных лентах НМЛ (ЭВМ 1, 2 и 3-го поколений).

3. Накопители на съемных и несъемных магнитных дисках НМД (ЭВМ 3 и 4-го поколений).

НМБ и НМЛ в современных машинах не используются, поэтому рассматривать целесообразно способы записи и считывания информации в НМД. Для хранения информации в НМД используется одна или несколько круглых пластин, изготовленных из прочных легких материалов, называемых подложкой, покрытых с одной илидвух сторон магнитным материалом, состоящим из доменов – элементарных магнитов, способных реагировать на внешнее магнитное поле (рис. 2.1). Одной из характеристик магнитного материала является толщина покрытия «Н».

Операции «записи» и «считывания» двоичной информации в НМД осуществляются в процессе взаимодействия движущейся магнитной поверхности (МП) магнитного диска и неподвижной магнитной головки (МГ) (рис. 2.2).

Магнитная головка представляет собой миниатюрный электромагнит, изготавливаемый, как правило, из магнитомягкого материала. Со стороны контакта МГ с МП имеется прорезь – воздушный зазор, расположенный перпендикулярно к магнитной поверхности диска.

Ось вращения

Рабочая магнитная поверхность

Н

Подложка

Рис. 2.1. Структура односторонней пластины магнитного диска

На магнитную головку наносятся, как правило, две обмотки: одна для выполнения операции «записи», другая для выполнения операции «считывания». Силовые линии магнитного поля, сформированного током записи I_{зап «1» ,} направлены по часовой стрелке и находятся внутри тороидального сердечника. При прохождении через воздушный зазор они выходят за контуры сердечника и проникают в магнитный слой, находящийся под МГ, осуществляя соответствующую ориентацию доменов в течение всего времени воздействия сигналов I_{зап «1»} и I_{зап «0»}. При воздействии током I_{зап «1»} домены ориентируются в направлении движения магнитной дорожки (1 и 2-й участки), что соответствует записи на этих участках значения «1». При воздействии током I_{зап «0» ,} домены ориентируются в направлении противоположном движению магнитной дорожки (3-й участок), что будет соответствовать записи на этот участок значения «0».

В рабочем состоянии диск или диски постоянно находятся во вращении. Скорость вращения НМД более 7200 об/мин. При подключении питания к ЭВМ НМД (жесткий диск) приводится в рабочее состояние, что проявляется в виде шумового эффекта, обусловленного высокой скоростью его вращения.

Информация на магнитных пластинах размещается на концентрических окружностях, которые называются магнитными дорожками (МД). Количество двоичной информации, которое можно разместить на одной МД, одинаково и не зависит от ее места нахождения относительно центра вращения.

Обмотка записи МГ Обмотка считывания МГ

I_{зап «1»}

+

е _СЧ.

–

V H

Направление движения магнитной дорожки

Рис. 2.2 Взаимное расположение магнитной головки

и магнитного покрытия

Среди характеристик НМД есть такая характеристика, как «продольная плотность записи информации» на МД, измеряемая в битах на 1мм длины. При одинаковой емкости дорожек магнитного диска продольная плотность является переменной величиной и увеличивается по мере приближения МД к центру вращения. На внешней МД есть отверстие, которое служит для определения физической отметки начала каждой дорожки. Пересечение радиальной линии, соединяющей центр вращения МД с этим отверстием, является физическим началом любой магнитной дорожки МД (рис. 2.3).

Поскольку все дорожки НМД представляют из себя окружности: начало каждой дорожки совпадает с ее концом, механизм привода магнитных головок позволяет им перемещаться в радиальном направлении и позиционироваться (устанавливаться) строго над определенной МД.

Для каждого НМД ширина магнитной дорожки «S» должна совпадать с шириной магнитной головки. Таким образом, каждая магнитная дорожка наряду с номером, постоянной шириной «S» имеет собственную координату «R» – удаление центра магнитной дорожки относительно центра вращения МД. Дорожки располагаются не вплотную друг к другу, а с небольшими промежутками, имеющими ширину примерно 20% от «S».

Направление вращенияФизическое начало магнитных дорожек

Центр вращения Отверстие

Рис. 2.3. Расположение МД на рабочей поверхности НМД

Физический адрес любой дорожки НМД связан со значением R. Исполнительный механизм позиционирования МГ по физическому адресу магнитной дорожки устанавливает МГ строго над требуемой МД.

Магнитные головки и рабочие поверхности магнитных дисков не имеют непосредственного контакта. В противном случае из-за высокой скорости вращения магнитного диска произошло бы разрушение и магнитных головок, и самой магнитной поверхности.

Магнитная поверхность, вращающаяся с очень высокой скоростью, увлекает за собой воздушный поток, который отталкивает магнитную головку от поверхности вращения; пружина механизма позиционирования магнитной головки, наоборот, создает обратное усилие, прижимающее магнитную головку к магнитной поверхности (рис. 2.4).

В результате регулировки напряжения пружины удается получить необходимый для работы воздушный зазор. Поскольку вращение магнитной поверхности не является идеальным из-за естественных люфтов подшипников вращения, естественно, речь идет о микронах, поэтому точность регулировки требуется высочайшая.

Физические аспекты процессов «записи» и «считывания» двоичной информации представлены на рис. 2.5 и 2.6. На рис. 2.5а и 2.5в показаны участки магнитного носителя с толщиной магнитного покрытия «Н», движущегося с линейной скоростью «V», которая для каждой магнитной дорожки будет иметь свое значение.

Воздушный зазор

МГ

V Н

Рис. 2.4. Распределение отталкивающих и прижимающих усилий, воздействующих на МГ

Постоянные токи I_{зап «1 »} и I_{зап «0 »} имеют одинаковые значения и противоположные направления (рис. 2.5а и 2.5в). Время воздействия на магнитную поверхность этими токами одинаково и составляет интервал T. Точками 0, t₁, t₂, t₃,t₄, t₅ ( рис.2.5б и 2.5г) на оси времени указаны границы стандартных интервалов T. Поскольку токи I_{зап. «1 »} и I_{зап. «0»} имеют противоположные направления, то согласно правилу «буравчика», или «правой руки», они создадут в магнитной головке, которая является ферромагнитным сердечником с воздушным зазором, электромагнитные поля противоположной направленности. Причем наличие воздушных зазоров или прорезей в нижней части магнитной головки обеспечивает выход силовых линий магнитного поля за их контуры и проникновение в магнитомягкий материал магнитной дорожки, проходящей под магнитной головкой в течение интервала времени T (рис. 2.5а и 2.5в).

В первом интервале t₁–t₂ ток, подаваемый в обмотку записи, имеет положительное значение и создает электромагнитное поле, силовые линии которого направленны по часовой стрелке и ориентируют домены в трехмерном параллелепипеде со сторонами: длина «L=V *T» (рис. 2.5а и рис. 2.5в), ширина «S» (рис. 2.3), и толщина магнитного покрытия дорожки «Н» (рис. 2.4), – в направлении, совпадающим с направлением движения самой дорожки (рис. 2.5а), на втором интервале t₂–t_3, в параллелепипеде на магнитной дорожке с аналогичными параметрами в противоположном направлении (рис. 2.5в). Если условиться и считать ориентацию доменов в миниатюрном параллелепипеде длиной «L», шириной «S» и толщиной «Н», совпадающую с направлением движения носителя, за процесс записи значения «1» (рис. 2.5а), то ориентация доменов в обратном направлении (рис. 2.5в) – будет соответствовать процессу «записи» значения «0». Т.е. на интервале t₁–t₂ в параллелепипед положительным током I_{зап. «1 »} (рис. 2.6a) была записана «1», на интервале t₂–t₃ отрицательным током I_{зап. «0 »} (рис. 2.6в) - «0».

I_{зап «1»} I_{зап. «0»}

+

e _сч. e _{с ч.}

V H V H

L=V*T L=V*T

а) в)

_{Iзап Iзап}

I_{зап. «1»}

t t

0 t ₁ t₂ t₃ t₄ I_{зап. «0»} 0 t₁ t₂ t₃ t₄

б) г)

Рис. 2.5. Физические аспекты выполнения операции «записи»

Поскольку ранее речь шла о машинном такте «Т», то длительность сигналов I_{зап. «1 »} и I_{зап. «0»} во всех операциях «записи» и «считывания» должна быть одинакова. В результате получается, что каждая магнитная дорожка будет состоять из одинакового количества параллелепипедов, которые фактически в НМД и являются физическими аналогами одного двоичного разряда. В то же время следует отметить, что стандартизация этих параллелепипедов распространяется лишь на конкретную дорожку, так как параметр «L» будет меняться при переходе от одной дорожки к другой из-за изменения значения линейной скорости «V», что никоим образом не противоречит условию одинаковой емкости каждой дорожки, так как на более длинных внешних магнитных дорожках параметр параллелепипеда «L» будет иметь большие значения, чем на более коротких, близких к центру магнитных дорожках.

Операции считывания производятся за счет использования магнитных полей все тех же параллелепипедов (рис. 2.6). Параллелепипед,

e _сч. «1» e_сч. «0»

V V

LL

a ) б)

e_сч.

e_{сч. «1 »}

0 t₁ t₂ t₃ t₄ t₅ t₆ t

e_{сч. «0 »} в)

Рис. 2.6. Физические аспекты выполнения операции «считывания»

перемещающийся под магнитной головкой в течение интервала t₁–t₂, обладает собственным магнитным полем, силовые линии которого проходят через контуры магнитной головки. В результате обмотка считывания оказывается в изменяющемся магнитном поле и на ее концах возникает e _{сч «1 »} с положительным знаком (рис. 2.6в) – считывание «1», в интервале t₂–t₃ происходят те же физические процессы с той лишь разницей, что силовые линии магнитного поля параллелепипеда имеют противоположную направленность, и, соответственно, e _{сч «0»} будет иметь приблизительно ту же абсолютную величину, но противоположный знак, – считывание–«0» (рис. 2.6в). Из-за крайне малых размеров параллелепипедов сами наводимые электродвижущие силы (э. д. с.) e _{сч. «1»} и e _{сч.«0 »} будут иметь крайне низкие значения 10^-5–10^-6 вольт. Поэтому в качестве физических аналогов «считанных» значений «1» и «0» будут использоваться знаки считанных э.д.с.: положительное значение e _{сч. «1 »} и отрицательное значение e _{сч. «0 ».}

Таким образом, физическим аналогом одного двоичного разряда в НМД является микроминиатюрный параллелепипед, являющийся частичкой магнитной дорожки и имеющий стандартные параметры «S», «Н» и «L». Современные технологии создания НМД позволили увеличить объемы хранимой информации, т.е. фактическое количество миниатюрных параллелепипедов, с 10⁶ до 24^.10¹² бит. Однако бесконечная микроминиатюризация данных элементов невозможна так же, как и увеличение объемов хранимой информации, так как сокращение размеров параллелепипедов «L», «Н» и «S» будет сближать сами параллелепипеды и в конечном итоге может привести к низкой надежности процессов записи и считывании информации. В недалекой перспективе планируется замена НМД интенсивно развивающимися твердотелыми запоминающими устройствами (флэш-картами).